Java GC机制

GC基本原理

1. 可达性分析算法
   Java通过根可达性分析判断对象存活状态。从GC Roots（如虚拟机栈引用的对象、静态变量、JNI 引用等）出发，遍历对象引用链，未被引用的对象标记为可回收。
   优势：解决循环引用问题，避免内存泄漏。

2. 垃圾回收算法

   • 标记-清除（Mark-Sweep）：标记存活对象后清除未标记对象，但会产生内存碎片。
   • 复制算法：将内存分为Eden和Survivor区，存活对象复制到另一区域，适合新生代（空间利用率50%）。
   • 标记-整理（Mark-Compact）：标记后压缩存活对象至内存一端，消除碎片，适合老年代。
   • 分代算法：结合对象生命周期，新生代用复制算法，老年代用标记整理。

分代回收机制

Java堆分为新生代和老年代，不同区域采用差异化回收策略：

1. 新生代结构

   • Eden区：新对象分配的主要区域（默认占80%）。
   • Survivor区（S0/S1）：Minor GC后存活对象在此复制，年龄计数器决定晋升老年代（默认阈值15）。

2. GC类型与触发条件

   • Minor GC：Eden区满时，高频、快速，存活对象复制到Survivor区。
   • Major GC/Full GC：老年代空间不足、方法区（元空间）满载或显式调用System.gc()时触发，耗时较长。
   • Mixed GC（G1特有）：同时回收部分新生代和老年代Region。

3. 对象晋升规则

   • 年龄阈值：对象在Survivor区每存活一次Minor GC年龄+1，达阈值则晋升。
   • 动态年龄判断：同年龄对象总大小超Survivor区一半时，直接晋升。

GC触发条件与优化策略

1. 触发条件：

   • Minor GC：Eden区分配失败、TLAB（线程本地分配缓存）不足。
   • Full GC：老年代空间不足、永久代（元空间）满载、System.gc()调用。

2. 调优策略：

   • -Xmx/-Xms：设置最大/初始大小，避免动态扩展引发Full GC。
   • -XX:MaxTenuringThreshold：调整对象晋升年龄阈值。
   • -XX:+UseG1GC：启用G1收集器，平衡吞吐与延迟。
   • 避免大对象直接进入老年代（如大数组）。
   • 减少全局变量和静态集合类引用，防止内存泄漏。

经典分代收集器

1. Serial收集器

   • 特点：单线程执行，全程STW（Stop-The-World），采用复制算法（新生代）和标记-整理算法（老年代）。
   • 适用场景：单核CPU、小内存（如嵌入式系统）或客户端应用。
   • 代偿代价：停顿时间长（秒级），无法利用多核性能。

2. ParNew收集器

   • 特点：Serial的多线程版本，仅用作新生代，需与CMS收集器配合使用。
   • 适用场景：多核服务器中需与CMS搭配的场景（如JDK8前）。
   • 限制：JDK9后逐渐被废弃，与CMS的兼容性要求高。

3. Parallel Scavenge（吞吐量收集器）

   • 特点：多线程并行回收，以最大化吞吐量为目标，支持自适应调节策略（如动态调整堆分区比例）。
   • 适用场景：后台计算型任务（如数据批处理）。
   • 代偿代价：牺牲单次停顿时间（可达数百毫秒）。

4. CMS（Concurrent Mark-Sweep）

   • 特点：并发标记清除，分四阶段（初始标记->并发标记->重新标记->并发清除），仅部分阶段STW。
   • 适用场景：延迟敏感的Web服务（如电商系统）
   • 缺陷：内存碎片（需定期Full GC整理）、高CPU占用。

全堆与低延迟收集器

1. G1（Garbage-First）

   • 特点：将堆划分为多个Region（默认2048个），优先回收垃圾比例高的Region，支持可预测停顿时间。
   • 适用场景：大内存（>6GB）服务端应用。
   • 优势：平衡吞吐量与延迟，内存碎片率低于CMS。

2. ZGC（Z Garbage Collector）

   • 特点：全并发操作（染色指针技术），亚毫秒级停顿（<10ms），支持TB级别内存。
   • 适用场景：实时系统（如金融交易）、超大内存应用。
   • 代价：高CPU和内存带宽消耗，小堆性能反而不如G1.

3. Shenandoan

   • 特点：类似ZGC的全并发设计（Brooks指针），低停顿且开源，与ZGC竞争。
   • 适用场景：需极低延迟且避免厂商绑定（如云原生环境）。

JVM调优

关键参数模版：

# G1调优模板（Web服务场景）
-Xmx8g -Xms8g 
-XX:+UseG1GC 
-XX:MaxGCPauseMillis=200 
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 
-XX:ConcGCThreads=4 
-XX:G1ReservePercent=10

# ZGC调优模板（低延迟场景）
-Xmx16g -Xms16g 
-XX:+UseZGC 
-XX:ConcGCThreads=8 
-XX:SoftMaxHeapSize=14g

参数类型	示例参数	作用说明
堆内存分配	-Xmx4g -Xms4g	避免堆动态扩容触发Full GC
GC算法选择	-XX:+UseG1GC	指定G1收集器
停顿时间控制	-XX:MaxGCPauseMillis=200	G1目标最大停顿时间
并行GC线程数	-XX:ParallelGCThreads=4	根据CPU核心数调整
元空间限制	-XX:MaxMetaspaceSize=512m	防止元空间无限增长