JVM垃圾回收中的“道法术器”体系解析

一、道（原理与哲学）

1. 自动内存管理的核心理念
   JVM垃圾回收（GC）的本质是通过自动化管理内存生命周期，避免内存泄漏和溢出。其核心哲学是“无感知回收”，开发者无需手动管理对象内存，降低心智负担。
   • 可达性分析算法：通过GC Roots（如虚拟机栈、静态变量等）构建引用链，判断对象是否存活。未被引用的对象标记为垃圾（如Object5、Object6、Object7在引用链外）。

   • 分代假设：根据对象存活时间将堆划分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation），采用不同回收策略（如年轻代用复制算法，老年代用标记整理）。

2. 引用强度的层次性
   • 强引用（如Object obj = new Object()）：即使内存不足也不会被回收。

   • 软引用/弱引用：分别在内存紧张时或下一次GC时回收，适用于缓存场景。

   • 虚引用：仅用于对象回收时的系统通知。

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二、法（算法与策略）

1. 经典垃圾回收算法
   • 标记-清除：分两阶段扫描内存，标记不可达对象后清除。优点简单直接；缺点内存碎片化（如图3中的内存空洞）。

   • 复制算法：将内存分为两半，存活对象复制到另一半后清空原区域。优点无碎片；缺点内存利用率低（仅50%）。

   • 标记-整理：标记后移动存活对象至内存前端，解决碎片问题（如图5），但耗时较长。

2. 分代收集的实践
   • 年轻代：Eden区新对象快速分配，Survivor区通过复制算法筛选存活对象（如From/To区交替使用）。

   • 老年代：采用标记整理或并发标记清除（CMS），减少长时间停顿。

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三、术（垃圾收集器实现）

1. 按代划分的经典收集器
   • Serial GC：单线程STW回收，适用于客户端或小内存场景。

   • Parallel GC（吞吐量优先）：多线程并行回收，适合计算密集型任务。

   • CMS：并发标记清除，减少停顿时间，但存在内存碎片问题（JDK9后废弃）。

2. 新一代收集器
   • G1（Garbage-First）：以Region为单元划分堆，优先回收垃圾最多的区域（Mixed GC模式），支持可预测停顿（如-XX:MaxGCPauseMillis=200）。

   ◦ Region设计：支持Eden、Survivor、Old和Humongous分区，解决大对象处理难题。

   ◦ RSet（记忆集）：记录跨代引用，避免全堆扫描（如老年代引用年轻代对象）。

   • ZGC：基于染色指针和读屏障实现亚毫秒级停顿（<10ms），支持TB级堆内存（JDK15+生产可用）。

   • Shenandoah：类似ZGC，但通过Brooks指针实现并发整理，适用于低延迟场景。

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四、器（工具与调优）

1. JVM参数配置
   • 堆内存：-Xmx（最大堆）、-Xmn（年轻代大小）。

   • 收集器选择：-XX:+UseG1GC（启用G1）、-XX:+UseZGC（启用ZGC）。

2. 监控与诊断工具
   • 命令行工具：jstat（实时监控GC统计）、jmap（堆转储分析）、jstack（线程堆栈跟踪）。

   • 图形化工具：JConsole、VisualVM（可视化堆内存与GC活动）。

   • GC日志分析：通过-XX:+PrintGCDetails记录详细回收过程，结合工具（如GCViewer）优化停顿时间。

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总结与选型建议

• 低延迟场景：优先选择G1、ZGC或Shenandoah。

• 高吞吐量场景：Parallel GC或G1的默认模式。

• 超大堆内存：ZGC（TB级）或分代ZGC（JDK21+）。

• 调优核心：通过监控工具分析GC日志，平衡吞吐量、延迟和内存占用（如调整Region大小、并发线程数）。