jvm系列(三):GC算法 垃圾收集器(JVM系列三：深入解析GC算法与垃圾收集器原理)

一、GC算法概述

垃圾收集（Garbage Collection，简称GC）是Java虚拟机（JVM）的一个重要组成部分，它负责自动管理内存。GC算法是垃圾收集器的心脏，它决定了怎样识别和处理内存中的垃圾对象。本文将深入解析GC算法的原理以及常见的垃圾收集器。

二、GC算法的基本原理

GC算法重点基于以下几种基本原理：

• 可达性分析（Reachability Analysis）
• 标记-清除（Mark-Sweep）
• 标记-整理（Mark-Compact）
• 复制算法（Copying）

2.1 可达性分析

可达性分析是一种用于确定对象是否存活的方法。它通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起点，从这些起点开端，遍历所有引用关系，能被遍历到的对象被认为是存活的，否则被认为是垃圾对象。

2.2 标记-清除算法

标记-清除算法分为两个阶段：标记和清除。在标记阶段，GC遍历所有GC Roots，标记所有可达对象。在清除阶段，GC遍历堆内存，回收所有未被标记的对象。

2.3 标记-整理算法

标记-整理算法在标记-清除算法在出现的同时进行了改进。它不仅标记所有可达对象，还将所有存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界以外的内存。这样做可以减少内存碎片。

2.4 复制算法

复制算法将可用内存分为两块，每次只使用其中一块。在垃圾回收时，将存活的对象复制到另一块内存区域，然后清理掉旧的内存区域。这种方法适用于存活对象较少的场景。

三、常见的垃圾收集器

采取不同的应用场景和需求，JVM提供了多种垃圾收集器。以下是一些常见的垃圾收集器：

• Serial收集器
• Parallel收集器
• Concurrent Mark Sweep (CMS)收集器
• Garbage-First (G1)收集器
• ZGC和Shenandoah收集器

3.1 Serial收集器

Serial收集器是JVM中最基本的垃圾收集器，它为单线程环境设计，在进行垃圾回收时会暂停其他所有的工作线程（Stop-The-World）。Serial收集器适用于单核处理器或者内存较小的环境。

3.2 Parallel收集器

Parallel收集器是一种多线程的垃圾收集器，它通过并行处理减成本时间垃圾回收的快速。Parallel收集器适用于多核处理器且对垃圾回收性能有较高要求的环境。

3.3 CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以最短回收停顿时间为目标的垃圾收集器。它通过并发标记和清除阶段，尽量减少应用程序的停顿时间。CMS收集器适用于对响应时间有较高要求的环境。

3.4 G1收集器

G1（Garbage-First）收集器是一种面向服务器的垃圾收集器，它通过将堆内存分割成多个区域（Region）并优先回收垃圾最多的区域，从而减成本时间垃圾回收的快速。G1收集器适用于大堆内存且对响应时间有要求的环境。

3.5 ZGC和Shenandoah收集器

ZGC（Z Garbage Collector）和Shenandoah收集器是JVM最新的垃圾收集器，它们旨在实现低延迟的垃圾回收。ZGC适用于64位平台，而Shenandoah收集器适用于OpenJDK和GraalVM。

四、GC算法与垃圾收集器的选择

在选择GC算法和垃圾收集器时，需要考虑以下因素：

• 应用程序的需求：响应时间、吞吐量等
• 硬件环境：CPU核心数、内存大小等
• 应用程序的特点：对象生命周期、内存分配速率等

五、总结

垃圾收集是Java虚拟机的一个重要组成部分，GC算法和垃圾收集器的选择对应用程序的性能有着至关重要的影响。了解GC算法的原理和不同垃圾收集器的特点，有助于我们更好地优化Java应用程序的性能。

六、参考资料

1. 《深入明白Java虚拟机》 - 周志明

2. 《Java虚拟机规范》 - 机械工业出版社

3. OpenJDK官方文档：https://openjdk.java.net/

4. Oracle官方文档：https://docs.oracle.com/javase/

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