【Java基础】垃圾回收器

前言

Java的垃圾回收器是JVM的一个重要组件，通过自动管理内存，负责回收不再被程序使用的对象所占用的内存空间，从而减轻程序员手动管理内存的负担，避免诸如内存泄漏和悬空指针等问题。
本文旨在探索Java的垃圾回收器基本原理，有哪些，具体有什么作用？

一、垃圾回收器的基本原理

可达性分析算法：垃圾回收器使用可达性分析算法来确定哪些对象是 “垃圾”，可以被回收。该算法以 “GC Roots” 的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。如果一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连，那么就认为这个对象是不可达的，即可以被回收。GC Roots 通常包括：
- 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
- 方法区中类静态属性引用的对象。
- 方法区中常量引用的对象。
- 本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）引用的对象。

二、垃圾回收器的种类

垃圾回收器有多个种类，下文主要介绍两种常用的回收器：CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器、G1（Garbage - First）收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，在垃圾回收过程中尽量减少应用程序的停顿时间。采用 “标记 - 清除” 算法，分为初始标记、并发标记、重新标记、并发清除四个阶段。初始标记和重新标记阶段会暂停所有工作线程，但时间较短，并发标记和并发清除阶段可以与应用程序线程并发执行。然而，CMS 收集器会产生内存碎片，可能导致在分配大对象时由于无法找到连续内存空间而提前触发 Full GC。可以通过 -XX:+UseConcMarkSweepGC 参数启用。
G1（Garbage - First）收集器：面向服务端应用的垃圾收集器，能充分利用多 CPU、多核环境。它将堆内存划分为多个大小相等的独立区域（Region），在回收过程中，它优先回收垃圾最多的 Region（这也是 G1 名称的由来）。G1 收集器可以预测停顿时间，通过参数 -XX:MaxGCPauseMillis 可以指定最大停顿时间。它结合了 “标记 - 整理” 和 “标记 - 清除” 算法，避免了内存碎片问题。

三、垃圾回收的算法有哪些？

Java 中常见的垃圾回收算法包括标记 - 清除算法、标记 - 整理算法、复制算法和分代收集算法。
标记 - 清除算法：垃圾回收器从 GC Roots 开始遍历，标记所有可达对象。清除不可达对象的内存。
标记 - 整理算法：从 GC Roots 开始标记所有可达对象。将所有可达对象向内存空间的一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存，使得回收后的内存空间是连续的。
复制算法：将内存空间划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当这一块内存使用完后，触发垃圾回收，将存活的对象复制到另一块空闲内存中，然后将使用过的那一块内存一次性清理掉。
分代收集算法：基于对象的存活周期不同将堆内存分为不同的代，如新生代、老年代。针对不同代的特点采用不同的垃圾回收算法。一般来说，新生代对象存活率低，采用复制算法；老年代对象存活率高，采用标记 - 清除算法或标记 - 整理算法。