本文將穿透式解析JVM垃圾回收核心算法，涵蓋7大基礎算法+4大現代GC實現+3種內存分配策略，通過15張動態示意圖+GC日志實戰分析，帶您徹底掌握JVM內存自動管理機制。

一、GC核心概念體系

1.1 對象存亡判定法則

引用計數法致命缺陷：

// 循環引用導致內存泄漏
class Node {Node next;public static void main(String[] args) {Node a = new Node();Node b = new Node();a.next = b;  // a引用計數=1b.next = a;  // b引用計數=1a = null;   // a引用計數=1（b.next仍引用）b = null;   // b引用計數=1（a.next仍引用）// 兩個對象永遠無法回收！}
}

1.2 對象引用強度分級

引用類型	特點	回收條件	典型應用
強引用	Object obj = new Object()	永不回收	普通對象
軟引用	SoftReference<T>	內存不足時回收	緩存系統
弱引用	WeakReference<T>	下次GC必回收	WeakHashMap
虛引用	PhantomReference<T>	對象回收跟蹤	DirectByteBuffer清理

二、基礎垃圾回收算法詳解

2.1 標記-清除（Mark-Sweep）

執行流程：

1. 標記階段：遍歷GC Roots標記存活對象

2. 清除階段：回收未標記對象內存

內存布局變化：

初始狀態: [A][B][C][D]  # 4個對象
標記后:   [A*][B][C*][D]  # *表示存活
清除后:   [A][ ][C][ ]  # 產生內存碎片

致命缺陷：

• 內存碎片化：導致大對象分配失敗

• 執行效率低：兩次堆遍歷（O(n)復雜度）

2.2 復制算法（Copying）

內存劃分：

Eden: [  新生對象分配區  ]
Survivor0: [ 存活區 ]
Survivor1: [ 存活區 ]

執行過程：

HotSpot實現細節：

• 默認比例：Eden:Survivor?= 8:1:1

• 對象年齡計數器：-XX:MaxTenuringThreshold=15

• 分配擔保機制：-XX:HandlePromotionFailure

2.3 標記-整理（Mark-Compact）

執行步驟：

1. 標記存活對象（同標記-清除）

2. 所有存活對象向內存一端移動

3. 清理邊界外內存

內存布局變化：

標記前: [A][ ][B][C][ ][D]
標記后: [A*][ ][B*][C*][ ][D*]
整理后: [A][B][C][D][ ][ ]  # 消除碎片

優勢：避免內存碎片
代價：移動對象需更新引用（STW時間更長）

2.4 分代收集理論

核心假設：

• 弱分代假說：絕大多數對象朝生夕死

• 強分代假說：熬過多次GC的對象更難消亡

• 跨代引用假說：跨代引用是極少數

分代布局：

三、現代GC算法實現

3.1 CMS（Concurrent Mark Sweep）

四階段執行流程：

致命缺陷：

1. 內存碎片：使用標記-清除算法

   # 解決方案：開啟內存整理
   -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

2. 并發模式失敗：老年代空間不足

   # 調優參數
   -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70  # 老年代70%時觸發
   -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

3. 浮動垃圾：并發清理階段新產生的垃圾

3.2 G1（Garbage-First）

革命性設計：

核心流程：

調優關鍵參數：

-XX:G1HeapRegionSize=4m  # Region大小
-XX:MaxGCPauseMillis=200 # 目標暫停時間
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 # 觸發并發標記的堆使用率

3.3 ZGC（Z Garbage Collector）

三大黑科技：

1. 染色指針（Colored Pointers）

   // 64位指針結構
   | 18位保留 | 1位Finalizable | 1位Remap | 1位Marked1 | 1位Marked0 | 42位地址 |

2. 內存多重映射

   # 不同視圖映射同一物理內存
   $ cat /proc/<pid>/maps | grep heap

3. 并發對象轉移

   // 對象移動時通過指針自愈機制更新引用

執行階段：

3.4 Shenandoah GC

創新點：

• Brooks指針：每個對象頭含轉發指針

  struct Object {void* forward_ptr;  // 指向新位置// ...其他字段
  }

• 并發壓縮算法：無需STW完成堆壓縮

性能對比：

GC名稱	最大暫停時間	吞吐量損失	JDK支持
CMS	100-500ms	10-20%	≤JDK14
G1	50-200ms	<15%	≥JDK9
ZGC	<1ms	<15%	≥JDK15
Shenandoah	<1ms	<10%	OpenJDK

四、GC算法實戰分析

4.1 內存分配策略

對象優先Eden分配：

// -XX:+PrintGCDetails 日志
public class Allocation {private static final int _1MB = 1024 * 1024;public static void main(String[] args) {byte[] a1 = new byte[2 * _1MB];  // 分配在Edenbyte[] a2 = new byte[2 * _1MB];  // 分配在Edenbyte[] a3 = new byte[2 * _1MB];  // 觸發Minor GC}
}

大對象直接進老年代：

-XX:PretenureSizeThreshold=3145728  # 3MB以上對象直接進老年代

長期存活對象晉升：

// -XX:MaxTenuringThreshold=1
public class TenuringThreshold {public static void main(String[] args) {byte[] a1 = new byte[_1MB / 4];byte[] a2 = new byte[4 * _1MB];byte[] a3 = new byte[4 * _1MB];  // 觸發Minor GCa3 = null;a3 = new byte[4 * _1MB];  // 再次觸發Minor GC}
}

4.2 GC日志深度解讀

CMS日志分析：

[GC (Allocation Failure) [ParNew: 367616K->40960K(367616K), 0.0468480 secs]-> 新生代回收，暫停46ms
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 524289K(786432K)] -> 初始標記階段
[CMS-concurrent-mark: 1.234/1.543 secs] -> 并發標記耗時1.543秒
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 275342 K (367616 K)]-> 重新標記階段
[CMS-concurrent-sweep: 0.876/0.987 secs]-> 并發清除耗時0.987秒

G1日志關鍵指標：

[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0234159 secs][Parallel Time: 22.3 ms][Ext Root Scanning: 3.5 ms][Update RS: 0.2 ms][Processed Buffers: 43][Scan RS: 1.8 ms][Code Root Scanning: 0.7 ms][Object Copy: 15.1 ms]  # 對象復制耗時[Eden: 2048.0M(2048.0M)->0.0B(2048.0M) Survivors: 0.0B->102.0M Heap: 4096.0M(8192.0M)->2054.0M(8192.0M)] 

五、高級調優技巧

5.1 避免Full GC的黃金法則

1. 老年代空間擔保：

   -XX:-HandlePromotionFailure  # JDK6后已失效

2. 元空間監控：

   jstat -gcmetacapacity <pid>  # 查看元空間使用

3. 堆外內存控制：

   -XX:MaxDirectMemorySize=128m

5.2 GC選擇策略矩陣

應用場景	推薦GC	參數配置
小型應用	Serial	-XX:+UseSerialGC
響應優先Web服務	G1	-XX:+UseG1GC -MaxGCPauseMillis=100
大內存服務	ZGC/Shenandoah	-XX:+UseZGC -Xmx32g
低延遲交易系統	ZGC	-XX:+UseZGC -XX:SoftMaxHeapSize=4g

六、常見生產問題解決方案

6.1 頻繁Full GC排查

診斷步驟：

1. jstat -gcutil <pid> 1000?觀察內存趨勢

2. jmap -histo:live <pid>?查看對象直方圖

3. jmap -dump:format=b,file=heap.bin <pid>?導出堆轉儲

4. MAT分析支配樹查找泄漏點

6.2 GC調優實戰案例

場景：電商大促期間每2小時Full GC
分析：監控顯示老年代每次GC后剩余空間不足10%
解決方案：

# 原配置
-Xms8g -Xmx8g -XX:NewRatio=2# 優化后
-Xms12g -Xmx12g 
-XX:NewRatio=1        # 增大新生代
-XX:SurvivorRatio=6   # 增大Eden
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=150