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一、核心前置概念

1. 什么是 GC（Garbage Collection）

GC = 垃圾回收，指 JVM 自动识别不再被引用的对象，释放堆内存，避免手动管理内存（区别 C/C++ 手动 malloc/free）。 GC 核心解决两个问题：

1. 怎么判断对象是垃圾（存活判定）
2. 怎么回收垃圾（回收算法、收集器、内存分代）

2. JVM 内存分区与 GC 范围

JVM 运行时数据区分为 5 块，只有堆、元空间（永久代）存在 GC：

1. 程序计数器：无 GC，线程私有，生命周期随线程；
2. 虚拟机栈 / 本地方法栈：栈帧自动出栈释放，不依赖 GC；
3. 元空间（Metaspace，JDK8+）：存放类、常量、静态变量，回收条件苛刻；
4. 堆 Heap：GC 主战场，所有 new 创建的对象存放于此，分代管理。

3. 堆内存分代模型（主流分代收集思想）

绝大多数收集器将堆划分为两大块，依据对象存活时间差异化回收：

1. 新生代 Young Gen：存放短期存活对象，占堆 1/3
   • Eden 区：80% 新生代，绝大多数对象诞生于此
   • Survivor0 / Survivor1（S0、S1，幸存区）：各 10% 新生代，永远一块空、一块存存活对象
2. 老年代 Old Gen：存放长期存活对象，占堆 2/3 对象晋升规则：新生代对象熬过多次 Minor GC（默认 15 次）进入老年代；大对象直接进老年代。

GC 分类

• Minor GC（年轻代 GC）：只回收新生代，频率高、速度快，触发后 STW 很短
• Major GC：仅回收老年代，很少单独触发
• Full GC：整堆回收（新生代 + 老年代 + 元空间），STW 极长，业务需极力避免

二、对象存活判定：两种垃圾标记算法

GC 第一步：标记哪些对象是垃圾，核心难点是循环引用。

1. 引用计数法

逻辑：每个对象维护计数器，引用 + 1，引用失效 - 1；计数 = 0 即为垃圾。 缺陷：无法解决对象循环引用（A 引用 B，B 引用 A，计数器永远不为 0），因此 JVM 弃用。

2. 可达性分析算法

核心逻辑

从GC Roots（根对象）向下遍历，能遍历到的对象判定为存活，不可达为垃圾。

GC Roots 包含哪些对象

1. 虚拟机栈中局部变量引用的对象
2. 本地方法栈 JNI 引用的对象
3. 静态变量、常量引用的对象（元空间）
4. 运行中线程、锁对象、Class 对象等

四种引用

1. 强引用：Object o = new Object()；GC 永不回收，内存溢出根源
2. 软引用 SoftReference：内存不足时才回收，适合缓存
3. 弱引用 WeakReference：下次 GC 必回收，ThreadLocalMap 底层使用
4. 虚引用 PhantomReference：仅做回收通知，无法获取对象，用于堆外内存释放

三、三大垃圾回收基础算法

标记完成后，使用以下算法清理内存，收集器都是组合使用。

1. 标记 - 清除 Mark-Sweep

流程：1. 标记垃圾 → 2. 直接清除垃圾 优点：逻辑简单，无需移动对象 缺点：内存产生大量内存碎片；分配大对象时容易触发 Full GC

2. 复制 Copying

流程：将存活对象复制到空白内存区，清空原区域 新生代 Eden+S0/S1 就是此算法： Eden 满了，存活对象复制到空 Survivor，清空 Eden；下次 GC 交换两块 Survivor。 优点：无内存碎片，分配内存只需指针碰撞，速度极快 缺点：需要双倍内存空间，不适合大对象（老年代不用）

3. 标记 - 整理 Mark-Compact

流程：1. 标记垃圾 → 2. 所有存活对象向内存一端移动，边界外全部清空 优点：无内存碎片，适合老年代长期对象 缺点：移动对象需要 STW，开销比标记清除大

算法总结

• 新生代：复制算法（对象存活率低，复制成本小）
• 老年代：标记清除 / 标记整理（对象存活率高，复制代价太大）

四、分代回收完整流程

1. 新对象全部分配在 Eden 区；
2. Eden 空间耗尽，触发 Minor GC；
3. 通过可达性分析标记 Eden、使用中的 Survivor 存活对象；
4. 将存活对象复制到空白 Survivor 区，对象年龄 + 1；
5. Eden、原 Survivor 全部清空，交换两块 Survivor 角色；
6. 对象年龄达到阈值（-XX:MaxTenuringThreshold=15），直接晋升老年代；
7. 若 Survivor 放不下存活对象，存活对象直接晋升老年代（分配担保）；
8. Minor GC 前会检查老年代可用空间，若不足直接触发 Full GC。

五、STW（Stop-The-World）关键概念

1. 含义：GC 标记、复制、整理阶段，所有用户业务线程全部暂停，只运行 GC 线程；
2. 弊端：停顿时间过长会导致接口超时、服务卡顿；
3. 收集器迭代核心目标：降低 STW 时长；
4. 补充：CMS、G1、ZGC 使用并发标记，仅初始标记、重新标记阶段短暂 STW。

六、主流垃圾收集器（分代 / 分区 / 低延迟）

1. Serial 串行收集器（单线程，客户端小程序）

• Serial Young：新生代复制，Serial Old：老年代标记整理
• 全程单线程 GC，全部 STW，单核机器简单场景使用，生产极少用

2. Parallel 并行收集器（JDK 默认吞吐量收集器）

• Parallel Scavenge（新生代）+ Parallel Old（老年代）
• GC 使用多线程并行回收，用户线程全程暂停；
• 目标：最大化吞吐量（运行代码时间 / 总运行时间）；
• 适合后台批处理、数据同步，不追求低停顿。

3. CMS 并发标记清除（JDK8 经典老年代收集器，JDK14 废弃）

第一款并发收集器，目标低延迟，老年代专用，搭配 ParNew 新生代。

CMS 四大阶段

1. 初始标记（STW）：仅标记 GC Roots 直接关联对象，停顿极短
2. 并发标记（无 STW）：GC 线程和业务线程同时运行，遍历全部对象
3. 重新标记（STW）：修正并发阶段业务线程新增的垃圾，短暂停顿
4. 并发清除（无 STW）：并发清理垃圾

CMS 致命缺陷

1. 使用标记清除，产生大量内存碎片，频繁 Full GC；
2. 并发阶段业务线程持续创建对象，可能出现并发失败，退化为 Serial Old 单线程 Full GC，停顿暴涨；
3. 浮动垃圾：并发清除阶段新产生对象，本次无法回收，只能等下次 GC。

4. G1（Garbage-First，JDK9 默认，分区式收集器）

打破传统分代，将整个堆划分为多个大小相等的独立 Region（1M~32M）； 每个 Region 可动态充当 Eden、Survivor、Old，不再固定新生代 / 老年代边界。

核心优势

1. 可自定义预期停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis），优先回收垃圾最多的 Region；
2. 整合复制 + 标记整理，全程无内存碎片；
3. 兼顾吞吐量与低延迟，替代 CMS，中小型生产通用。

G1 五大阶段

初始标记 (STW) → 并发标记 → 最终标记 (STW) → 筛选回收 (STW)

5. ZGC / Shenandoah（超低延迟收集器，JDK11 + 企业级）

面向超大堆（TB 级），STW 停顿控制在10ms 以内； 使用读屏障、染色指针、负载转发，几乎全程并发，大型高并发服务首选。

七、内存分配与特殊规则

1. 指针碰撞分配：新生代内存连续，分配对象仅移动指针，速度快；
2. TLAB 线程本地分配缓冲区：每个线程私有一小块 Eden，避免多线程分配锁竞争；
3. 大对象直接晋升老年代：超过 - XX:PretenureSizeThreshold 的对象跳过新生代，防止大量复制；
4. 动态年龄判断：Survivor 中相同年龄对象总大小超过 Survivor 一半，该年龄及以上对象直接晋升老年代，无需等到 15 岁。

八、常见 GC 优化方向

1. 避免 Full GC：控制大对象、合理设置新生代大小、避免内存泄漏；
2. 选择合适收集器：批处理用 Parallel，高并发接口用 G1/ZGC；
3. 调优分代比例：Xms/Xmx 固定堆大小，避免运行时扩容缩容；
4. 排查内存泄漏：静态集合长期持有对象、ThreadLocal 未清理、IO 流未关闭；
5. 开启 GC 日志，分析停顿、内存升降、晋升频率。

九、整体总结

1. GC 本质：自动识别不可达对象，释放堆内存，核心算法是可达性分析；
2. 堆按对象生命周期分代，新生代复制算法、老年代标记整理 / 清除；
3. GC 存在 STW，收集器演进路线：串行→并行→并发 CMS→分区 G1→超低延迟 ZGC；
4. Minor GC 高频轻量，Full GC 代价极高，线上业务核心优化目标就是减少 Full GC。