第十一章 垃圾回收（上）

在Java的世界里，垃圾回收（Garbage Collection, GC）是一个至关重要的机制，它负责管理程序运行时的内存分配与回收，确保应用程序不会因为内存耗尽而崩溃。本章将深入剖析Java虚拟机（JVM）中的垃圾回收机制，首先聚焦于垃圾回收的基本概念、原理、分类以及JVM中常见的垃圾回收器（上部分），为后续深入理解垃圾回收的策略与优化打下基础。

11.1 垃圾回收的基本概念

11.1.1 内存管理与垃圾回收的必要性

Java语言的一大特点是其自动内存管理机制，即程序员无需手动释放不再使用的内存空间，这一任务由JVM的垃圾回收器自动完成。这一特性极大地简化了内存管理的复杂度，降低了内存泄漏和程序崩溃的风险。然而，自动内存管理并不意味着完全没有内存管理的问题，合理的垃圾回收策略和高效的垃圾回收器对程序性能有着重要影响。

11.1.2 垃圾的定义

在JVM中，垃圾通常指的是那些已经失去（或即将失去）任何引用关系的对象所占用的内存空间。这些对象不再被程序中的任何部分所使用，因此它们的内存可以被安全地回收，以便用于新的对象分配。

11.2 垃圾回收的基本原理

11.2.1 引用计数法

最简单直观的垃圾回收算法是引用计数法。该方法为每个对象维护一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1。任何时刻计数器为0的对象即可被认定为垃圾。然而，这种方法存在循环引用的问题，即两个对象相互引用，即使它们不再被其他任何对象引用，它们的引用计数器也不会为0，导致内存无法被回收。因此，现代JVM主要采用更为复杂的算法进行垃圾回收。

11.2.2 可达性分析算法

可达性分析算法是现代JVM中主流的垃圾回收算法。它通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，所走过的路径称为引用链（Reference Chain）。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（即从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的，即为垃圾对象。GC Roots通常包括虚拟机栈（栈帧中的局部变量表所引用的对象）、方法区中的类静态属性引用的对象、本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象等。

11.3 垃圾回收的分类

根据垃圾回收发生的区域（新生代、老年代），以及回收时是否暂停用户线程的执行，垃圾回收可以分为多种类型。

11.3.1 按回收区域分类

• 新生代回收（Minor GC/Young GC）：主要回收新生代的垃圾，因为新生代中对象生命周期短，存活率低，因此新生代GC频繁但回收速度快。
• 老年代回收（Major GC/Full GC）：当老年代空间不足时，会触发老年代GC，它可能伴随新生代GC一起进行，也可能是单独进行。老年代GC的回收速度较慢，且会影响应用的性能。

11.3.2 按是否暂停用户线程分类

• Stop-The-World（STW）：在进行垃圾回收时，需要暂停用户线程的执行，直到垃圾回收完成。这是大多数传统垃圾回收器的共同特点。
• 并发（Concurrent）：垃圾回收与用户线程同时进行，减少STW的时间，提高应用性能。现代JVM中，许多垃圾回收器都支持并发回收。

11.4 JVM中的垃圾回收器（上）

JVM提供了多种垃圾回收器供用户选择或JVM自动选择，以适应不同的应用场景和性能需求。以下是一些常见的垃圾回收器（上部分）：

11.4.1 Serial GC（串行垃圾回收器）

Serial GC是JVM在客户端模式下默认的垃圾回收器，它只使用一个垃圾回收线程进行垃圾回收工作，在垃圾回收时，会暂停所有的用户线程（即STW）。虽然这种回收器简单且容易实现，但由于其单线程的特性，不适合用于服务器环境。

11.4.2 Parallel GC（并行垃圾回收器）

Parallel GC是JVM在服务器模式下默认的垃圾回收器之一（另一个是CMS GC，但在后续版本中逐渐被淘汰）。与Serial GC不同，Parallel GC使用多个线程来执行垃圾回收工作，以提高垃圾回收的效率。Parallel GC支持多核CPU，并且可以通过设置JVM参数来调整垃圾回收的线程数。在垃圾回收时，同样会暂停用户线程的执行，但由于并行执行，其效率通常高于Serial GC。

11.4.3 ParNew GC

ParNew GC是Serial GC的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾回收外，其余行为（包括GC Roots的确定、对象的可达性分析等）与Serial GC基本一致。ParNew GC主要用于与CMS GC配合使用，作为CMS GC中新生代的垃圾回收器。

11.4.4 CMS GC（Concurrent Mark Sweep，并发标记清除）

CMS GC是一种以最小停顿时间为目标的垃圾回收器，它旨在减少垃圾回收时的停顿时间，从而提高应用的响应能力。CMS GC主要工作于老年代，分为四个主要阶段：初始标记（Initial Mark）、并发标记（Concurrent Mark）、重新标记（Remark）和并发清除（Concurrent Sweep）。其中，初始标记和重新标记阶段会暂停用户线程的执行，但时间非常短；并发标记和并发清除阶段则与用户线程并发执行。然而，CMS GC存在内存碎片和浮动垃圾（Floating Garbage）等问题，且不适用于堆内存较大的情况。

11.5 总结与展望

本章详细介绍了垃圾回收的基本概念、原理、分类以及JVM中几种常见的垃圾回收器（上部分）。通过理解这些内容，读者可以对Java的垃圾回收机制有一个全面的认识。然而，垃圾回收是一个复杂且不断发展的领域，随着JVM技术的不断进步，新的垃圾回收器不断出现，如G1 GC（Garbage-First GC）、ZGC等，它们带来了更高效的垃圾回收策略和更好的性能表现。因此，在后续章节中，我们将继续探讨这些先进的垃圾回收器，以及如何在实际应用中根据具体情况选择合适的垃圾回收器，以达到最优的性能和稳定性。