Java 中的垃圾回收算法

Java 虚拟机(JVM)提供了多种垃圾回收(GC)算法，每种算法针对不同的应用场景和性能需求。以下是主要的垃圾回收算法：

1. 标记-清除算法(Mark-Sweep)

基本原理：

• 标记阶段：遍历所有可达对象并标记
• 清除阶段：回收未被标记的对象内存

特点：

• 简单直接
• 会产生内存碎片
• 适用于老年代(Old Generation)

// 概念性伪代码
void markSweep() {
    // 标记阶段
    markRoots();
    markFromRoots();
    
    // 清除阶段
    sweep();
}

2. 复制算法(Copying)

基本原理：

• 将内存分为两块，每次只使用其中一块
• 垃圾回收时将存活对象复制到另一块内存
• 清理原内存块的全部空间

特点：

• 无内存碎片
• 需要双倍内存空间
• 适用于新生代(Young Generation)

3. 标记-整理算法(Mark-Compact)

基本原理：

• 标记阶段与标记-清除相同
• 整理阶段将所有存活对象向一端移动
• 清理边界以外的内存

特点：

• 解决了内存碎片问题
• 移动对象需要时间开销
• 适用于老年代

// 概念性伪代码
void markCompact() {
    // 标记阶段
    markRoots();
    markFromRoots();
    
    // 整理阶段
    compact();
}

4. 分代收集算法(Generational)

基本原理：

• 基于对象生命周期假说(大部分对象很快变成垃圾)
• 将堆内存分为新生代(Young Generation)和老年代(Old Generation)
• 新生代使用复制算法
• 老年代使用标记-清除或标记-整理算法

特点：

• 现代JVM主要采用的方式
• 针对不同代优化回收策略

5. 增量收集算法(Incremental)

基本原理：

• 将GC过程分成多个小步骤执行
• 每次只回收部分垃圾
• 与应用程序线程交替执行

特点：

• 减少单次GC停顿时间
• 总体GC时间可能增加

6. G1垃圾回收器(Garbage-First)

基本原理：

• 将堆划分为多个大小相等的区域(Region)
• 优先回收垃圾最多的区域(Garbage-First)
• 兼具标记-整理和复制算法的特点

特点：

• JDK 9+的默认GC
• 适用于大内存机器
• 可预测停顿时间模型

7. ZGC和Shenandoah

新一代低延迟GC：

• ZGC：JDK 11引入，目标停顿时间不超过10ms
• Shenandoah：JDK 12引入，

延迟GC

特点：

• 并发标记和整理
• 极低停顿时间
• 适用于大内存和低延迟要求的应用

如何选择GC算法

选择GC算法时考虑：

• 吞吐量 vs 延迟
• 堆内存大小
• 应用特性(如创建对象的速度)

现代JVM通常会自动选择最适合的GC，但也可以通过JVM参数手动指定：

# 使用G1 GC
java -XX:+UseG1GC MyApp

# 使用ZGC
java -XX:+UseZGC MyApp

# 使用Shenandoah
java -XX:+UseShenandoahGC MyApp

理解这些GC算法有助于开发者优化Java应用程序的内存使用和性能表现。