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= 垃圾收集器（Garbage Collector） =  

'''垃圾收集器'''（Garbage Collector，简称 GC）是 [[Java虚拟机]]（JVM）的重要组成部分，负责自动管理内存，回收不再使用的对象以释放内存空间。Java 开发者无需手动释放内存，从而避免了内存泄漏和野指针等问题。  

== 1. 垃圾收集的基本概念 ==  

=== 1.1 什么是垃圾收集？ ===  
在 Java 中，垃圾收集是指 JVM 自动检测并回收不再被引用的对象所占用的内存。当一个对象不再被任何活动线程或静态变量引用时，它就被视为“垃圾”，可以被回收。  

=== 1.2 为什么需要垃圾收集？ ===  
* **避免内存泄漏**：自动回收不再使用的对象，防止内存被无效占用。  
* **减少开发负担**：开发者无需手动管理内存，降低代码复杂度。  
* **提高程序稳定性**：减少因内存管理不当导致的程序崩溃。  

== 2. 垃圾收集算法 ==  

JVM 使用不同的垃圾收集算法来识别和回收垃圾对象。以下是几种常见的算法：  

=== 2.1 标记-清除（Mark-Sweep） ===  
1. **标记阶段**：遍历所有可达对象，标记为“存活”。  
2. **清除阶段**：回收未被标记的对象。  

**缺点**：产生内存碎片。  

=== 2.2 复制（Copying） ===  
将内存分为两块，每次只使用其中一块。垃圾回收时，将存活对象复制到另一块内存，然后清空当前块。  

**优点**：避免内存碎片。  
**缺点**：内存利用率低（仅 50%）。  

=== 2.3 标记-整理（Mark-Compact） ===  
1. **标记阶段**：标记所有存活对象。  
2. **整理阶段**：将所有存活对象移动到内存的一端，然后清理剩余部分。  

**优点**：避免碎片，内存利用率高。  
**缺点**：整理过程耗时较长。  

=== 2.4 分代收集（Generational Collection） ===  
基于对象的生命周期将内存划分为不同的代（如新生代、老年代），并采用不同的回收策略。  

* **新生代（Young Generation）**：存放新创建的对象，使用复制算法（如 Serial、ParNew、G1）。  
* **老年代（Old Generation）**：存放长期存活的对象，使用标记-清除或标记-整理算法（如 CMS、G1）。  

== 3. JVM 中的垃圾收集器 ==  

JVM 提供了多种垃圾收集器，适用于不同的应用场景：  

=== 3.1 Serial GC ===  
* **特点**：单线程，适用于小型应用或客户端程序。  
* **算法**：新生代（复制），老年代（标记-整理）。  
* **适用场景**：低内存、单核 CPU。  

=== 3.2 Parallel GC（吞吐量优先） ===  
* **特点**：多线程并行回收，提高吞吐量。  
* **算法**：新生代（复制），老年代（标记-整理）。  
* **适用场景**：多核 CPU，注重吞吐量的应用（如批处理）。  

=== 3.3 CMS（Concurrent Mark-Sweep） ===  
* **特点**：并发标记和清除，减少停顿时间（低延迟）。  
* **算法**：标记-清除（老年代）。  
* **缺点**：内存碎片问题。  

=== 3.4 G1（Garbage-First） ===  
* **特点**：分区（Region）收集，兼顾吞吐量和低延迟。  
* **算法**：标记-整理 + 复制（混合）。  
* **适用场景**：大内存、多核服务器（JDK 9+ 默认）。  

=== 3.5 ZGC & Shenandoah ===  
* **特点**：超低停顿（<10ms），适用于超大堆内存（TB 级别）。  
* **适用场景**：云原生、实时系统。  

== 4. 代码示例：观察垃圾收集 ==  

以下代码演示如何手动触发垃圾收集并观察其行为：  

<syntaxhighlight lang="java">  
public class GCDemo {  
    public static void main(String[] args) {  
        // 创建大量临时对象  
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
            new Object(); // 这些对象很快会被回收  
        }  

        // 手动建议 JVM 执行 GC（不保证立即执行）  
        System.gc();  

        // 查看内存使用情况  
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();  
        long freeMemory = runtime.freeMemory();  
        long totalMemory = runtime.totalMemory();  
        System.out.println("Free Memory: " + freeMemory);  
        System.out.println("Total Memory: " + totalMemory);  
    }  
}  
</syntaxhighlight>  

**输出示例**：  
<pre>  
Free Memory: 12345678  
Total Memory: 16777216  
</pre>  

== 5. 实际应用场景 ==  

* **Web 服务器**：使用 G1 或 ZGC 减少 GC 停顿，提高响应速度。  
* **大数据处理**：使用 Parallel GC 最大化吞吐量。  
* **Android 应用**：使用 ART 的并发 GC 减少卡顿。  

== 6. 性能调优建议 ==  

* **调整堆大小**：`-Xms`（初始堆）、`-Xmx`（最大堆）。  
* **选择收集器**：如 `-XX:+UseG1GC` 启用 G1。  
* **监控 GC 日志**：使用 `-Xlog:gc*` 分析停顿时间。  

== 7. 总结 ==  
垃圾收集器是 JVM 内存管理的核心组件，不同的收集器适用于不同的场景。理解其工作原理有助于优化 Java 应用的性能和稳定性。  

<mermaid>  
graph LR  
    A[垃圾收集器] --> B[Serial GC]  
    A --> C[Parallel GC]  
    A --> D[CMS]  
    A --> E[G1]  
    A --> F[ZGC/Shenandoah]  
</mermaid>

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