本文共 2803 字，大约阅读时间需要 9 分钟。

垃圾回收算法与垃圾收集器

垃圾回收（Garbage Collection, GC）是Java 虚拟机（JVM）中一个关键的内存管理功能，用于释放不再使用的对象，以防止内存泄漏并优化内存使用。此外，垃圾收集器的性能对应用程序的性能至关重要。本文将深入探讨垃圾回收算法和各类垃圾收集器的实现机制。

垃圾回收算法

垃圾回收算法可以分为几个基本类型：标记-清除、标记-整理、复制算法以及分代收集算法。这些算法各有优缺点，通常根据内存的使用方式和存活期的长短进行选择。

1. 标记算法

标记算法是垃圾回收的基础，主要用于识别需要回收的对象。通过标记不再可用的对象，垃圾收集器可以Deletes such objects.

1.1 引用计数算法

引用计数算法（Reference Counting Algorithm）是最简单的标记算法之一。其核心思想是对每个对象维护一个计数器，记录引用次数。当计数器为零时，说明对象已不再被引用，可被回收。

1.2 可达性分析算法

可达性分析算法（Reachability Algorithm）是Java和其他现代语言中更广泛使用的标记算法。该算法通过从GC Roots开始，遍历引用关系，找出所有被引用但存活的对象。GC Roots包括：

• 虚拟机栈中的本地变量
• 方法区中的类静态属性引用
• 方法区中的常量引用
• 本地方法栈中的JNI引用

将这些GC Roots作为起点，垃圾收集器可以识别出所有存活对象，以决定哪些对象可以回收。

垃圾回收算法

垃圾回收算法主要包括标记-清除、标记-整理、复制算法以及分代收集算法。每种算法都有其特定的优缺点和适用场景。

2.1 标记-清除算法

标记-清除算法（Mark-Sweep Algorithm）是最基础的垃圾回收算法。其核心步骤是：

优点：实现简单且高效。

缺点：清除操作会导致内存碎片的产生，影响后续内存分配。

2.2 标记-整理算法

标记-整理算法（Mark-Compact Algorithm）与标记-清除算法类似，但其清除过程采用整理（Compaction），将存活对象集中到一边，从而减少内存碎片。

优点：避免内存碎片的产生，适用于对内存碎片敏感的应用场景。

缺点：占用额外空间，部分存活对象的复制操作可能对性能有所消耗。

2.3 复制算法

复制算法（Copying Algorithm）主要用于新生代垃圾回收。其核心思想是将内存划分为若干块，垃圾回收时仅使用其中一部分。当使用完毕后，存活对象被复制到另一块内存中，原来的内存块则被清理。复制算法一般被用于新生代，因为新生代对象通常存活时间较短，适合高效垃圾回收。

复制算法的实现通常将内存划分为新生代（Young Generation）、幸存者区（Survivor Space）等区域，其中幸存者区又分为两个子区（From Survivor Space 和 To Survivor Space）。垃圾回收时，旧的To Survivor Space会被清理，存活对象会被复制到新的To区域。

优点：避免内存碎片的产生，实现简单且高效。

缺点：占用一定比例的内存空间（通常为20%~50%），对存活时间长的对象进行复制可能影响性能。

2.4 分代收集算法

分代收集算法（Generational Collection）是现代商用JVM的主要垃圾回收方式。其核心思想是将堆内存划分为新生代和老年代，每个分代采用不同的垃圾回收算法。

• 新生代：存活期短的对象，采用复制算法。
• 老年代：存活期长的对象，采用标记-清除或标记-整理算法。

垃圾收集器

垃圾收集器（Garbage Collectors）是垃圾回收算法的具体实现。现代JVM的垃圾收集器通常支持多种垃圾回收算法，并根据应用程序的需求和垃圾回收策略进行配置。以下是几种常见的垃圾收集器：

3.1 Serial收集器

Serial收集器是新生代垃圾收集器的单线程版本，采用复制算法。其特点是简单、高效，但垃圾回收时会导致应用程序暂停（Stop The World）。

优点：实现简单，适合对实时性要求不高的应用程序。

缺点：停顿时间较长。

3.2 Serial Old收集器

Serial Old收集器是老年代垃圾收集器的单线程版本，采用标记-整理算法。老年代垃圾回收需要更高的性能支持，因此老年代垃圾收集器通常采用多线程处理，以提高吞吐量。

优点：标记-整理算法避免内存碎片，可控制停顿时间。

缺点：老年代垃圾收集中存活对象数量多，复杂度较高。

3.3 ParNew收集器

ParNew收集器是新生代垃圾收集器的多线程版本，采用复制算法。与Serial收集器相比，ParNew收集器能够并行执行垃圾回收，使得垃圾回收更高效。

优点：支持多线程，吞吐量较高。

缺点：实现复杂度较高，垃圾回收过程中需要同步机制。

3.4 Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一种面向新生代的多线程垃圾收集器，采用复制算法。其优点是高吞吐量（通常为99%以上），适合后台应用等对交互性要求不高的场景。

优点：吞吐量优先，适合后台应用。

缺点：实现复杂度较高，需要大量内存资源用于临时存放存活对象。

3.5 CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是老年代垃圾收集器之一，基于标记-清除算法。CMS收集器注重与用户态程并发执行，以减少垃圾回收的停顿时间。其优点是响应时间短，但产生大量内存碎片，且在高负载时可能导致吞吐量下降。

优点：低停顿，适合对服务响应时间敏感的应用程序。

缺点：产生大量内存碎片，吞吐量较低。

3.6 G1收集器

G1（Garbage First）收集器是JVM最新的垃圾收集器之一，其核心思想是将内存划分为多个区域，并优先回收内存碎片。G1收集器基于标记-整理算法，并支持并行处理，确保垃圾回收过程中尽可能减少停顿时间。

优点：支持并行执行，缩短停顿时间。

缺点：实现复杂度较高，影响旧版本JVM的兼容性。

垃圾收集器的选择

垃圾收集器的选择取决于应用程序的内存需求、垃圾回收策略以及性能要求。对于新生代垃圾回收，通常可以选择ParNew或Parallel Scavenge收集器；对于老年代垃圾回收，常见的选择包括Serial Old、Parallel Old或 CMS/ G1 收集器。

需要注意的是，垃圾收集器的配置需要根据应用程序的特点进行调整，确保垃圾回收过程中不影响应用程序的正常运行。

基于此，垃圾回收算法和垃圾收集器的理解已经相当透彻。垃圾回收算法是垃圾收集器的核心，而不同的垃圾收集器则根据具体需求和应用场景提供不同的性能特点。理解这些知识对于优化Java程序的性能至关重要。