垃圾回收算法
垃圾回收概述
垃圾回收（Garbage Collection, GC）是 JVM 自动内存管理的核心机制。GC 需要解决三个基本问题：
- 哪些内存需要回收？ — 对象存活判定
- 什么时候回收？ — GC 触发时机
- 如何回收？ — 垃圾回收算法
对象存活判定
引用计数法
给对象添加一个引用计数器，每被引用一次加 1，引用失效减 1，为 0 时回收。
致命缺陷：无法解决循环引用。
Object a = new Object();
Object b = new Object();
a.field = b;
b.field = a;
a = null;
b = null;
// 两个对象互相引用，计数器不为 0，但实际已不可达
JVM 不使用引用计数法，而是使用可达性分析。
可达性分析算法
从 GC Roots 出发，沿引用链向下搜索，搜索走过的路径称为引用链（Reference Chain）。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，证明对象不可达，可回收。
GC Roots ──→ A ──→ B ──→ D
│
└──→ C ──→ E
F ──→ G （不可达，可回收）
GC Roots
可作为 GC Roots 的对象包括：
| 来源 | 说明 |
|---|---|
| 虚拟机栈中引用的对象 | 各栈帧的局部变量表中的引用 |
| 方法区中类静态属性引用的对象 | static 修饰的变量 |
| 方法区中常量引用的对象 | final static 修饰的变量 |
| 本地方法栈中 JNI 引用的对象 | native 方法引用的对象 |
| JVM 内部引用 | 基本类型对应的 Class 对象、常驻异常、类加载器等 |
| 同步锁持有的对象 | synchronized 锁住的对象 |
| JMXBean、JVMTI 中注册的回调 | 运行时管理接口引用 |
四种引用类型
JDK 1.2 之后将引用分为四种：
| 引用类型 | 特点 | 回收时机 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 强引用（Strong） | Object obj = new Object() |
永不回收（只要引用存在） | 普通对象引用 |
| 软引用（Soft） | SoftReference<T> |
内存不足时回收 | 缓存 |
| 弱引用（Weak） | WeakReference<T> |
下次 GC 时回收 | WeakHashMap、ThreadLocal |
| 虚引用（Phantom） | PhantomReference<T> |
随时回收，仅用于跟踪 GC | 跟踪 GC、管理堆外内存 |
// 软引用示例 - 适合做缓存
SoftReference<byte[]> cache = new SoftReference<>(new byte[1024 * 1024]);
byte[] data = cache.get(); // 可能返回 null（如果已被 GC 回收）
// 弱引用示例 - 适合做临时映射
WeakReference<Key> ref = new WeakReference<>(key);
// 虚引用示例 - 配合 ReferenceQueue 使用
ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantom = new PhantomReference<>(obj, queue);
// 对象被回收后，虚引用入队，可在此清理堆外内存
基础垃圾回收算法
标记-清除算法（Mark-Sweep）
最基础的收集算法，分两个阶段：
- 标记：从 GC Roots 出发，标记所有可达对象
- 清除：遍历堆，回收未标记的对象
标记前： [A] [B] [C] [D] [E] [F]
↑ ↑ ↑
可达 可达 可达
标记后： [A✓] [B] [C✓] [D] [E✓] [F]
清除后： [ ] [C✓] [ ] [E✓] [ ] ← 产生内存碎片
- 优点：实现简单，不需要移动对象
- 缺点：
- 产生大量不连续的内存碎片
- 分配大对象时可能触发另一次 GC
- 标记和清除效率都不高
复制算法（Copying）
将内存分为两块等大小区域，每次只使用其中一块：
- 将存活对象复制到另一块区域
- 清除当前区域所有对象
- 交换两块区域的角色
From 区: [A✓] [B] [C✓] [D] [E✓] [F]
↓ 复制
To 区: [A] [C] [E] [ ] ← 连续空间，无碎片
- 优点：实现简单，运行高效，无内存碎片
- 缺点：可用内存缩小为一半，空间利用率低
优化：新生代中 98% 的对象都是”朝生夕死”的，不需要 1:1 划分。HotSpot 默认 Eden:S0:S1 = 8:1:1，只浪费 10% 的空间。
标记-整理算法（Mark-Compact）
结合标记-清除和复制算法的优点：
- 标记：与标记-清除相同
- 整理：将所有存活对象向一端移动，然后清理边界以外的内存
标记后： [A✓] [B] [C✓] [D] [E✓] [F]
整理后： [A] [C] [E] [ ] ← 连续空间，无碎片
- 优点：无内存碎片，不需要牺牲额外空间
- 缺点：移动对象需要更新引用，效率较低（尤其是存活对象多时）
算法对比
| 算法 | 标记-清除 | 复制 | 标记-整理 |
|---|---|---|---|
| 速度 | 中等 | 最快 | 最慢 |
| 空间开销 | 少（有碎片） | 大（2 倍空间） | 少（无碎片） |
| 移动对象 | 否 | 是 | 是 |
| 适用场景 | 老年代（CMS） | 新生代 | 老年代 |
分代收集理论
理论基础
分代收集基于两个假说：
- 弱分代假说：绝大多数对象都是朝生夕死的
- 强分代假说：熬过越多次 GC 的对象越难被回收
基于这两个假说，JVM 将堆分为新生代和老年代，对不同代采用不同的收集算法：
- 新生代：对象存活率低，适合复制算法（只需复制少量存活对象）
- 老年代：对象存活率高，适合标记-清除或标记-整理算法
跨代引用
跨代引用（老年代引用新生代，或反过来）是个问题。如果 Minor GC 只扫描新生代，如何确保不误回收被老年代引用的新生代对象？
解决方案：记忆集（Remembered Set）
记忆集用于记录从非收集区域指向收集区域的指针。在新生代 GC 时，只需扫描记忆集而非整个老年代。
HotSpot 使用卡表（Card Table）实现记忆集：将老年代划分为固定大小的卡页（512 字节），每个卡页对应卡表中一个字节。当老年代中某个卡页的引用字段被修改时，卡表对应位置被标记为”脏”。
卡表标记: [0] [0] [1] [0] [0] [1] [0] [0]
↑ ↑
脏页 脏页
（有跨代引用） （有跨代引用）
写屏障（Write Barrier）用于维护卡表，在引用赋值时更新卡表状态。
安全点与安全区域
安全点（Safepoint）
GC 需要确保在一致性状态下进行，即所有线程的引用关系不再变化。JVM 通过安全点（Safepoint）实现：
- 安全点位置：方法调用、循环跳转、异常跳转等
- 到达方式：
- 抢先式中断（已废弃）：GC 时中断所有线程，不在安全点的恢复到安全点
- 主动式中断（HotSpot 采用）：设置一个标志位，线程在安全点主动检查并挂起
# 安全点相关参数
-XX:+PrintSafepointStatistics # 打印安全点统计
-XX:PrintSafepointStatisticsCount=1 # 每次安全点都打印
安全区域（Safe Region）
安全点解决了”执行中”线程的问题，但对于阻塞或睡眠的线程（如 Thread.sleep()、等待 IO），它们无法主动到达安全点。
安全区域是安全点的扩展：在安全区域内，引用关系不会变化。线程进入安全区域时标记自己，离开时检查 GC 是否完成，若未完成则等待。
增量更新与原始快照（SATB）
在并发标记阶段，收集线程和用户线程同时运行，可能产生对象消失问题：
黑色对象（已标记）新引用了白色对象（未标记），同时灰色对象（未完全扫描）删除了对白色对象的引用。白色对象被错误回收。
两种解决方案：
增量更新（Incremental Update）
CMS 使用。当黑色对象插入对白色对象的新引用时，记录这个引用。GC 结束后，以这些记录的引用为根重新扫描。
本质：关注引用的新增。
原始快照（SATB, Snapshot At The Beginning）
G1 使用。当灰色对象删除对白色对象的引用时，记录被删除的引用。GC 结束后，以这些记录的引用为根重新扫描。
本质：关注引用的删除，保证 GC 开始时的对象图一致性。
增量更新 SATB
记录新增引用 记录删除引用
(A → C 新增) (B → C 删除)
A(黑) ──新增──→ C(白) A(黑) ──→ C(白)
B(灰) ──删除──↗ B(灰) ──×──→ C
小结
本章介绍了垃圾回收的核心算法和理论基础。理解可达性分析和 GC Roots 是判断对象是否可回收的关键；理解三种基础算法的优缺点是后续学习具体收集器的基础；理解分代理论、记忆集和安全点有助于理解 GC 的实现机制。下一章将详细介绍各种垃圾收集器。
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