一、簡介

Java垃圾回收機制是Java虛擬機（JVM）的核心組件之一，對于內存管理起到至關重要的作用。它能自動追蹤并管理應用程序中創(chuàng)建的對象，當這些對象不再使用時，垃圾回收機制會自動回收其占用的內存，使這部分內存能夠被再次利用。此機制極大地減少了開發(fā)者需要手動管理內存的負擔，防止了因為疏忽導致的內存泄漏問題，是Java語言相較于C++等其他語言的一個顯著優(yōu)點。

二、Java內存結構

Java內存主要被劃分為五個區(qū)域：

1. 方法區(qū)（Method Area）：用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)。
2. 堆（Heap）：Java Heap是JVM所管理的最大一塊內存區(qū)域，幾乎所有的對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配。它還被劃分為新生代和老年代兩個部分，用于進行高效的內存分配和回收。
3. 虛擬機棧（Java Stack）：每個線程有一個私有的棧，其生命周期與線程同步。棧幀存儲了局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接和方法出口等信息。
4. 本地方法棧（Native Method Stack）：本地方法棧與虛擬機棧類似，只不過它是為本地（Native）方法服務的。
5. 程序計數(shù)器（Program Counter Register）：它是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。

其中，方法區(qū)和堆是Java垃圾收集器關注的主要區(qū)域，也是我們接下來討論的重點。

三、什么是垃圾

在Java中，對象的生命周期從創(chuàng)建（new）開始，到不再被其他對象引用結束。換句話說，當一個對象沒有任何引用指向它時，這個對象就成了垃圾，等待垃圾回收器的回收。值得注意的是，對象可能還在作用域中，但已經不可能被程序再次使用（如：對象只在一個局部作用域中使用），此時這個對象也會被視為垃圾。垃圾回收器的主要工作就是找出這些垃圾對象并釋放它們占用的內存，從而為新的對象提供空間。

四、垃圾收集算法

1. 標記-清除算法（Mark and Sweep）

這是最基礎的垃圾收集算法。它分為兩個階段：標記階段和清除階段。標記階段會遍歷所有的對象，找出還活著的對象。清除階段則會清除掉所有未被標記的對象。如圖：

雖然標記-清除算法很直觀，但存在兩個問題：一是效率問題，標記和清除兩個過程的效率都不高；二是空間問題，標記清除之后會產生大量不連續(xù)的內存碎片。

2. 復制算法（Copying）

為了解決效率問題，可以采用"復制"算法。復制算法將可用內存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊。當這一塊內存用完了，就將還活著的對象復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內存空間一次性清理掉。這樣使得每次都是對其中一塊進行內存回收，內存分配時也就不用考慮內存碎片等問題。如圖：

復制算法雖然實現(xiàn)簡單，內存效率高，不易產生碎片，但是最大的問題是可用內存被壓縮到了原本的一半，未充分利用內存。且存活對象增多的話，復制算法的效率會大大降低。

3. 標記-整理算法（Mark and Compact）

為了解決空間問題，可以使用"標記-整理"算法。標記過程仍然與"標記-清除"算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內存。如圖：

4. 分代收集算法（Generational Collection）

當前商業(yè)虛擬機的垃圾收集都采用"分代收集"（Generational Collection）算法。這種算法把Java堆分為新生代和老年代，這樣我們就可以根據(jù)各個年代的特點采用最適當?shù)氖占惴?。在對象存活率低的新生代，可以選用復制算法，只需要付出少量存活對象的復制成本就可以完成收集。而老年代中因為對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，我們可以選擇"標記-清理"或者"標記-整理"算法進行垃圾收集。

注意，Java本身并不提供直接控制這些垃圾收集算法的API，它們是由Java虛擬機在后臺自動執(zhí)行的。然而，理解這些基礎的垃圾收集算法是理解更高級的垃圾收集技術（如：并行收集、并發(fā)收集、增量收集等）的基礎。

五、垃圾收集器

Java HotSpot VM包含幾種類型的垃圾收集器，每一種都有各自的特點，適用于不同的系統(tǒng)和使用場景。包括：

• Serial收集器：單線程收集器，它在進行垃圾收集時，必須暫停其他所有的工作線程，直到它收集結束。
• Parallel收集器：多線程收集器，它在垃圾收集時，會停止其他所有的工作線程，直到它收集結束。
• CMS (Concurrent Mark Sweep)收集器：并發(fā)收集器，它主要的設計目標是避免在老年代垃圾收集時出現(xiàn)長時間的卡頓。
• G1 (Garbage First)收集器：它是一款面向服務端應用的垃圾收集器，它能滿足垃圾收集停頓時間可預測以及高吞吐量的需求。

需要注意的是，每種垃圾收集器都有其適用的場景，沒有絕對的好壞之分。在實際的系統(tǒng)設計和開發(fā)中，我們需要根據(jù)應用的特性（如：是否對系統(tǒng)響應時間有較高要求等）和硬件資源來選擇最合適的收集器。

六、垃圾回收的觸發(fā)時機

在Java中，垃圾回收的觸發(fā)時機是由JVM來決定的。雖然我們可以通過調用System.gc()方法來請求JVM進行垃圾回收，但這只是一個建議，JVM可以選擇忽略這個請求。

在實際情況中，JVM通常會在以下幾種情況下進行垃圾回收：

• 當JVM的堆內存空間不足時，JVM會觸發(fā)垃圾回收，以釋放不再使用的對象占用的內存，從而為新的對象分配空間。
• 當一個Old Generation（老年代）空間滿時，會觸發(fā)一次Full GC，這會導致所有的Java應用線程暫停，直到GC結束。
• 當系統(tǒng)空閑時，JVM也可能會選擇執(zhí)行垃圾回收，以提高系統(tǒng)的內存使用效率。

下面的Java代碼將顯示在運行過程中垃圾回收的執(zhí)行情況：

public class GCDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        long before = runtime.freeMemory(); //獲取開始時JVM空閑內存
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            String s = new String("Hello, World!");
            s = null; // 顯式地斷開s的引用，使得s所指向的對象可以被垃圾回收
        }
        long after = runtime.freeMemory(); //獲取結束時JVM空閑內存
        System.out.println("Memory freed by GC: " + (before - after));
    }
}

這段代碼會輸出由垃圾回收器釋放的內存量，可以看到，即使我們沒有顯式地觸發(fā)垃圾回收，JVM也會在適當?shù)臅r機進行垃圾回收。

結語

理解和掌握Java的垃圾回收機制對于編寫高效、穩(wěn)定的Java程序至關重要。在這篇博客中，我們介紹了垃圾回收機制的基本原理，JVM的內存結構，垃圾回收算法，各種垃圾收集器，以及垃圾回收的觸發(fā)時機。雖然Java已經為我們處理了大部分的內存管理問題，但是，作為Java開發(fā)人員，我們仍然需要理解這些基本的概念，才能寫出更有效率的代碼，并避免出現(xiàn)內存泄漏等問題。希望這篇博客對你有所幫助，如果你有任何問題，歡迎留言討論。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-487100.html

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