垃圾回收算法

垃圾回收算法（Garbage Collection Algorithms）是Java虚拟机（JVM）中用于自动管理内存的核心机制，通过识别并回收不再使用的对象来释放内存空间。本条目将详细介绍常见的垃圾回收算法、工作原理及其应用场景。

概述

在Java等高级语言中，程序员无需手动释放内存，而是由垃圾回收器（Garbage Collector, GC）自动完成。垃圾回收算法的目标是：

1. 识别哪些对象是“垃圾”（即不再被程序引用）。
2. 回收垃圾对象占用的内存。
3. 尽量减少程序停顿时间（Stop-The-World）。

常见垃圾回收算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）

标记-清除是最基础的垃圾回收算法，分为两个阶段： 1. **标记阶段**：从GC Roots（如静态变量、活动线程栈中的引用）出发，遍历所有可达对象并标记为“存活”。 2. **清除阶段**：遍历堆内存，回收未被标记的对象。

特点

• 优点：实现简单，不移动对象。
• 缺点：产生内存碎片，可能导致后续分配大对象失败。

示例

  
public class MarkSweepExample {  
    public static void main(String[] args) {  
        Object obj1 = new Object(); // 对象A  
        Object obj2 = new Object(); // 对象B  
        obj1 = null; // 对象A变为垃圾  
        System.gc(); // 触发垃圾回收（不保证立即执行）  
    }  
}

复制算法（Copying）

复制算法将内存分为两块（From空间和To空间），仅使用其中一块。垃圾回收时，将存活对象复制到另一块空间，并清空原空间。

特点

• 优点：无内存碎片，分配高效（通过指针碰撞）。
• 缺点：内存利用率仅50%。

Mermaid 图示

flowchart LR A[From空间: 存活对象 + 垃圾] -->|复制存活对象| B[To空间: 仅存活对象] A -->|清空| C[From空间: 空闲]

标记-整理算法（Mark-Compact）

标记-整理结合了标记-清除和复制算法的优点： 1. 标记存活对象。 2. 将存活对象向内存一端移动，消除碎片。

适用场景

适合老年代（如CMS的最终回收阶段）。

分代收集算法（Generational）

现代JVM普遍采用分代收集，基于对象生命周期将堆划分为：

• **新生代**（Young Generation）：使用复制算法（如Serial、ParNew）。
• **老年代**（Old Generation）：使用标记-清除或标记-整理（如CMS、G1）。

Mermaid 分代模型

pie title 堆内存分代 "新生代 (Eden + Survivor)" : 40 "老年代" : 60

实际案例

电商系统内存优化

某电商平台在高并发场景下频繁触发Full GC，通过以下步骤优化： 1. 使用`-XX:+UseG1GC`启用G1垃圾回收器。 2. 调整新生代与老年代比例（`-XX:NewRatio=2`）。 3. 监控GC日志（`-Xloggc:/path/to/gc.log`）确认效果。

数学基础

垃圾回收的停顿时间（Pause Time）可通过以下公式估算： $PauseTime=\frac{LiveData}{Throughput}+Overhead$ 其中：

• *Live Data*：存活对象大小。
• *Throughput*：回收器处理速度。

总结

垃圾回收算法的选择需权衡吞吐量、停顿时间和内存开销。理解这些算法有助于优化JVM参数并解决内存泄漏问题。