🧠 一、GC基礎概念

1. 什么是垃圾回收（Garbage Collection, GC）？

• 作用：自動管理內存，回收不再使用的對象，防止內存泄漏和溢出。
• 核心問題：
  （1） 如何判斷對象是垃圾？
  （2）如何高效回收垃圾？

2. 判斷對象是否為垃圾的方法

方法	說明
引用計數法	每個對象維護一個引用計數器，引用增加時計數+1，引用失效時-1。無法解決循環引用問題。
可達性分析法	從GC Roots出發，不可達的對象判定為垃圾。GC Roots包括：虛擬機棧中的局部變量、類靜態屬性引用、常量引用、JNI引用。

🧩 二、GC核心算法

1. 標記-清除算法（Mark-Sweep）

• 步驟：
  （1）標記：從GC Roots出發，標記所有存活對象。
  （2）清除：回收未被標記的對象。
• 缺點：
  （1）產生內存碎片（可能導致大對象分配失敗）。
  （2）標記和清除效率較低。

2. 標記-整理算法（Mark-Compact）

• 步驟：
  （1）標記：同標記-清除。
  （2）整理：將存活對象向一端移動，清理邊界外內存。
• 優點：避免內存碎片。
• 缺點：移動對象需要暫停所有線程（Stop-The-World）。

3. 復制算法（Copying）

• 步驟：
  （1）將內存分為兩塊，每次只用一塊。
  （2）回收時，將存活對象復制到另一塊，清空原區域。
• 優點：高效，無內存碎片。
• 缺點：內存利用率低（只使用一半）。

4. 分代收集算法（Generational Collection）

• 思想：將堆內存劃分為新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
• 新生代：對象生命周期短，使用復制算法。
• 老年代：對象生命周期長，使用標記-清除或標記-整理。

📌 三、主流垃圾收集器

1. Serial 收集器（串行）

• 特點：單線程，適用于單核CPU或小內存場景。
• 使用場景：Client模式（如桌面應用）。
• 命令行參數：
  -XX:+UseSerialGC

2. Parallel Scavenge 收集器（并行）

• 特點：多線程，關注吞吐量（吞吐優先）。
• 使用場景：后臺計算任務（如批量處理）。
• 命令行參數：
  -XX:+UseParallelGC

3. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器（并發）

• 目標：以最短停頓時間為目標，適合高并發、低延遲的Web應用。
• 回收步驟：
  （1）初始標記（Initial Mark）：暫停所有線程，標記GC Roots直接關聯的對象。
  （2）并發標記（Concurrent Mark）：并發標記所有存活對象。
  （3）重新標記（Remark）：暫停線程，處理并發標記期間新增的對象。
  （4）并發清除（Concurrent Sweep）：并發清除垃圾對象。
• 優點：低停頓時間。
• 缺點：
  （1）內存碎片化（可能導致Full GC）。
  （2）對CPU資源敏感。
• 命令行參數：
  -XX:+UseConcMarkSweepGC

4. G1（Garbage-First）收集器（分區）

• 目標：兼顧吞吐量和低延遲，適用于大內存（>6GB）和多核CPU。
• 核心思想：
  (1) 將堆內存劃分為多個Region（大小相等，1~32MB）。
  (2) 優先回收垃圾最多的Region。
• 回收步驟：
  （1）初始標記（Initial Mark）：暫停線程，標記GC Roots。
  （2）并發標記（Concurrent Mark）：并發標記存活對象。
  （3）最終標記（Final Mark）：處理并發標記期間新增的對象。
  （4）篩選回收（Live Data Counting and Evacuation）：選擇回收價值高的Region進行回收。
• 優點：
  可預測的停頓時間（通過 -XX:MaxGCPauseMillis 設置）。
  避免內存碎片（回收時進行壓縮）。
• 缺點：
  內存占用較高（維護Region狀態）。
• 命令行參數：
  -XX:+UseG1GC

🧱 四、GC收集器對比總結

🔄 五、GC類型與觸發條件

🧪 六、常見GC異常與調優

1. 內存泄漏（Memory Leak）

• 原因：對象不再使用但無法被GC回收（如緩存未清理、監聽器未注銷）。
• 定位工具：
  (1) MAT（Memory Analyzer）：分析堆轉儲（heap dump）。
  (1) VisualVM：實時監控內存使用情況。
  (3) jmap + jhat：生成并分析堆轉儲。

2. 內存溢出（OutOfMemoryError）

• 常見類型：
  • Java heap space：堆內存不足。
  • GC overhead limit exceeded：GC頻繁且效率低。
  • PermGen / Metaspace：方法區或元空間內存不足。
• 解決方法：
  • 增加堆大小（-Xmx）。
  • 調整元空間大小（-XX:MaxMetaspaceSize）。
  • 優化代碼（減少對象創建、及時釋放資源）。

3. GC調優目標

目標	說明
吞吐量（Throughput）	單位時間內處理任務的效率（適合后臺計算任務）
停頓時間（Pause Time）	每次GC暫停的時間（適合Web服務）
內存占用（Footprint）	堆內存使用量（適合內存敏感場景）

4. GC調優常用參數

參數	說明
-Xms / -Xmx	設置堆初始和最大大小（如 -Xms2g -Xmx4g）
-XX:NewRatio	新生代與老年代比例（默認1:2）
-XX:SurvivorRatio	Eden與Survivor比例（默認8:1:1）
-XX:MaxGCPauseMillis	G1收集器的目標停頓時間（默認200ms）
-XX:G1HeapRegionSize	G1的Region大小（1~32MB）
-XX:+PrintGCDetails	打印詳細GC日志
-XX:+PrintGCDateStamps	打印GC時間戳
-Xloggc:/path/to/gc.log	輸出GC日志到文件

🧩 七、常見GC問題排查工具

工具	說明
jstat	實時監控GC狀態（如 jstat -gc 1234 1000 每秒輸出GC信息）
jmap	生成堆轉儲（jmap -dump:format=b,file=heap.bin 1234）
jhat	分析堆轉儲（jhat heap.bin）
VisualVM	圖形化監控JVM內存、線程、GC等
MAT（Memory Analyzer）	分析堆轉儲，定位內存泄漏
GC	日志分析工具 如 GCViewer、GCEasy、GCPlot

📋 八、常見面試題及答案

1. CMS 和 G1 的區別？

2. G1為何適合大內存？

• 分區管理：將堆劃分為多個Region，可并行回收。
• 可預測停頓：通過 -XX:MaxGCPauseMillis 設置目標停頓時間。
• 避免碎片化：回收時進行壓縮（Evacuation階段）。

3. CMS的缺點？

• 內存碎片化：可能導致Full GC（標記-清除算法的缺點）。
• 并發階段耗CPU：并發標記和清除階段占用CPU資源。
• Concurrent Mode Failure：老年代空間不足導致并發失敗，退化為Serial Old收集器。

4. 如何選擇合適的GC收集器？

5. Full GC的觸發條件？

• 老年代空間不足。
• 方法區（元空間）內存不足。
• 調用 System.gc()（可禁用 -XX:+DisableExplicitGC）。
• 分配大對象（如大數組）。

6. 如何優化GC性能？

• 合理設置堆大小：避免頻繁GC。
• 避免內存泄漏：使用緩存時注意釋放。
• 選擇合適收集器：如G1適合大內存。
• 監控GC日志：分析停頓時間和頻率。

📚 九、GC調優實踐建議

? 十、總結：GC機制核心知識點

📄 十一、完整GC日志示例

2023-10-23T15:30:00.123+0800: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 131072K->15360K(157248K)] 131072K->15360K(503936K), 0.0123456 secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.01 secs]

日志解析：

• GC類型：Allocation Failure（分配失敗觸發GC）。
• GC區域：PSYoungGen（Parallel Scavenge新生代）。
• 內存變化：131072K->15360K（回收后內存占用）。
• 耗時：0.0123456 secs（GC耗時）。

📌 十二、推薦學習資料

• 《深入理解 Java 虛擬機》（周志明）
• 《Java 性能調優指南》
• JVM 官方文檔：https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/gctuning/
• GC日志分析工具：GCViewer、GCEasy、GCPlot
• JVM調優視頻教程（B站、慕課網、CSDN）