JVM虛擬機（七）：JVM垃圾回收器全面解析與G1深度探秘及四種引用詳解

一、JVM有哪些垃圾回收器

在Java虛擬機（JVM）中，垃圾回收器負責自動管理內存，回收不再使用的對象所占用的內存空間。不同的垃圾回收器具有不同的特點和適用場景，以下是常見的JVM垃圾回收器：

1. Serial回收器

• 特點：單線程垃圾回收器，在進行垃圾回收時，會暫停所有用戶線程（Stop-The-World，STW）。它簡單高效，對于單線程環境或小型應用程序有較好的性能表現。
• 適用場景：Client模式下的小型應用，對內存要求不高，單核CPU環境。

2. ParNew回收器

• 特點：Serial回收器的多線程版本，允許多個線程同時進行垃圾回收，同樣會產生STW。它常與CMS回收器配合使用，是Server模式下新生代回收的常用選擇之一。
• 適用場景：Server模式，多核CPU環境，與CMS配合時的新生代回收。

3. Parallel Scavenge回收器

• 特點：關注吞吐量的垃圾回收器，通過最大化吞吐量來提高程序的運行效率。它也是多線程回收器，可通過參數控制吞吐量目標。
• 適用場景：后臺任務、對響應時間要求不高但重視吞吐量的應用，如批量數據處理。

4. Serial Old回收器

• 特點：Serial回收器的老年代版本，單線程回收，使用標記-整理算法。通常作為其他回收器的后備方案，在JVM內存較小、單核環境下仍有一定應用。
• 適用場景：與Serial回收器配合，或作為Parallel Scavenge老年代回收的后備。

5. Parallel Old回收器

• 特點：Parallel Scavenge的老年代版本，多線程，采用標記-整理算法，提供與Parallel Scavenge類似的吞吐量優先特性。
• 適用場景：注重吞吐量的應用，老年代回收，與Parallel Scavenge配合。

6. CMS（Concurrent Mark Sweep）回收器

• 特點：以獲取最短回收停頓時間為目標的回收器，采用標記-清除算法。它能在垃圾回收時與用戶線程并發執行部分操作，減少STW時間。
• 優點：響應速度快，適合對響應時間要求高的應用，如Web應用。
• 缺點：會產生內存碎片，并發階段可能因用戶線程繼續運行導致重新標記，且對CPU資源敏感。
• 適用場景：B/S架構等對響應時間敏感的應用。

7. G1（Garbage-First）回收器

• 特點：新一代垃圾回收器，將堆內存劃分為多個大小相等的Region，采用分代收集思想，但不再有固定的新生代和老年代。它能更精確地控制垃圾回收的停頓時間，同時兼顧吞吐量和響應時間。
• 適用場景：大內存、多處理器環境，對停頓時間有嚴格要求的應用，是JDK 9及以上的默認回收器。

二、詳細聊一下G1垃圾回收器

3.6.1 概述

G1（Garbage-First）回收器是一種面向服務器的垃圾回收器，旨在滿足高吞吐量和低停頓時間的需求。與傳統回收器不同，G1將堆內存劃分為大量大小相等的Region（區域），每個Region可以動態地扮演新生代或老年代的角色。G1通過維護一個優先列表，每次根據允許的停頓時間優先回收垃圾最多的Region，這也是其名稱“Garbage-First”的由來。這種設計使得G1能更靈活地控制垃圾回收的停頓時間，同時提高內存的利用率和回收效率。

3.6.2 Young Collection（年輕代垃圾回收）

• 回收過程：當新生代的Eden區填滿時，觸發Young Collection。G1采用復制算法，將Eden區和Survivor區中存活的對象復制到另一個空的Survivor區或晉升到老年代（如果對象年齡達到閾值）。此時會產生STW，但由于新生代對象存活率通常較低，復制操作的開銷相對較小。
• 特點：快速處理新生代大量短生命周期的對象，通過多線程并行執行，減少回收時間。

3.6.3 Young Collection + Concurrent Mark（年輕代垃圾回收 + 并發標記）

• 并發標記階段：
  • 初始標記（Initial Mark）：STW，標記GC Roots直接引用的對象，時間很短。
  • 并發標記（Concurrent Mark）：與用戶線程并發執行，從GC Roots開始遍歷對象圖，標記存活的對象。
  • 最終標記（Final Mark）：STW，處理并發標記階段遺留的少量對象，確保標記準確。
  • 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation）：計算每個Region的存活對象和可回收空間，為混合回收做準備。
• 與Young Collection的配合：在年輕代回收后，通過并發標記確定老年代中哪些Region含有較多垃圾，為后續的混合回收提供依據。

3.6.4 Mixed Collection（混合垃圾回收）

• 回收過程：G1根據篩選回收階段的統計信息，選擇垃圾比例較高的老年代Region，結合新生代Region一起回收。回收時采用復制算法，將存活對象復制到空的Region中，從而清理掉垃圾較多的Region。
• 特點：在控制停頓時間的前提下，逐步回收老年代的垃圾，避免老年代內存碎片化，同時提高整體內存的利用率。

三、強引用、軟引用、弱引用、虛引用的區別

3.7.1 強引用（Strong Reference）

• 定義：程序中最常見的引用方式，如Object obj = new Object();，obj就是一個強引用。
• 回收時機：只要強引用存在，垃圾回收器永遠不會回收被引用的對象。即使內存不足，JVM也會拋出OutOfMemoryError而不會回收強引用對象。
• 應用場景：大多數普通對象的引用，確保對象在需要時始終存在。

3.7.2 軟引用（Soft Reference）

• 定義：通過SoftReference類實現，如SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());。
• 回收時機：當內存不足時，垃圾回收器會回收軟引用所引用的對象。軟引用通常用于實現緩存，在內存充足時保留對象，內存緊張時釋放以避免OOM。
• 應用場景：圖片緩存、網頁緩存等，允許在內存不足時釋放非關鍵對象。

3.7.3 弱引用（Weak Reference）

• 定義：通過WeakReference類實現，WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());。
• 回收時機：只要發生垃圾回收，無論內存是否充足，弱引用所引用的對象都會被回收。弱引用的生命周期更短。
• 應用場景：臨時對象、對生命周期要求較短的輔助對象，如哈希表中的弱引用鍵值對，避免內存泄漏。

3.7.4 虛引用（Phantom Reference）

• 定義：通過PhantomReference類實現，且必須配合ReferenceQueue使用，PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), referenceQueue);。

• 回收時機：虛引用隨時可能被垃圾回收器回收，它主要用于跟蹤對象的垃圾回收狀態，而不是實際引用對象。

• 應用場景：對象回收后的資源釋放等特殊場景，如直接內存的釋放跟蹤。

通過對JVM垃圾回收器的全面了解，尤其是G1回收器的深入剖析，以及四種引用類型的詳細對比，開發者能更好地理解Java內存管理機制，優化程序性能，避免內存相關的問題，編寫出更高效、穩定的Java應用程序。