Java 高级篇：JVM 垃圾回收机制

Java 语言的一大优势在于其具有自动垃圾回收（Garbage Collection，GC）机制，让开发者无需关心内存的分配与释放。

本文将详细解析 JVM（Java Virtual Machine）中的垃圾回收机制，带你深入了解 GC 如何运作，以及如何优化垃圾回收性能。

一、垃圾回收基本原理

在 Java 语言中，对象的内存空间由 JVM 自动管理。当 JVM 确定某个对象不再被使用时，它将自动回收这个对象所占用的内存。这种自动回收内存的机制称为垃圾回收。

垃圾回收的主要任务包括两个方面：

1. 发现无用对象：JVM 通过对象的可达性分析来判断对象是否仍在使用。如果一个对象不再被其他对象引用，那么它就被认为是无用的，可以被回收。

1. 回收无用对象所占用的内存：JVM 释放无用对象所占用的内存，以便其他对象使用。

二、JVM 内存结构

要了解垃圾回收机制，首先要了解 JVM 的内存结构。JVM 将内存划分为以下几个区域：

1. 堆（Heap）：存储对象实例，是垃圾回收的主要区域。

1. 方法区（Method Area）：存储已被加载的类信息、常量、静态变量等数据。

1. 栈（Stack）：存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

1. 程序计数器（PC Register）：存储当前线程执行的字节码行号。

垃圾回收主要针对堆和方法区进行。

三、垃圾收集器（Garbage Collector）

JVM 提供了多种垃圾收集器，它们各自采用不同的算法，以满足不同场景的需求。常见的垃圾收集器有：

1. Serial Collector：单线程收集器，适用于客户端应用。

1. Parallel Collector：多线程收集器，适用于多核服务器端应用。

1. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：并发收集器，适用于对响应时间有较高要求的应用。

1. G1（Garbage-First）收集器：基于区域划分的收集器，适用于大内存应用。

四、垃圾回收算法

1. 标记-清除（Mark-Sweep）算法:

标记-清除算法分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。在标记阶段，垃圾收集器遍历堆中的对象，将不再使用的对象进行标记。在清除阶段，垃圾收集器将标记的对象从内存中移除。标记-清除算法的主要缺点是内存碎片化，可能导致后续对象分配时找不到足够的连续内存。

1. 标记-整理（Mark-Compact）算法:

为解决标记-清除算法的内存碎片化问题，标记-整理算法在清除阶段进行了优化。在标记阶段与标记-清除算法相同，都是对不再使用的对象进行标记。然而，在清除阶段，标记-整理算法会将存活的对象压缩到内存的一端，从而避免内存碎片化。这种算法的缺点是移动对象的开销较大。

1. 复制（Copying）算法:

• 复制算法将堆内存分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。

• 当这个区域的内存用完时，垃圾收集器会将存活的对象复制到另一个区域，并将已使用区域清空。这种算法避免了内存碎片化和对象移动的问题，但代价是可用内存空间减半。

1. 分代收集（Generational Collection）算法:

• 大部分对象的生命周期都很短暂，因此分代收集算法将堆内存划分为新生代和老年代。新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

• 当对象在新生代中经历了一定次数的垃圾回收后，它将被晋升到老年代。分代收集算法充分利用了对象生命周期的特点，提高了垃圾回收的效率。

五、垃圾回收实战与优化:

为了更好地理解垃圾回收机制及优化方法，我们使用一个简单的 Java 程序来模拟内存泄漏。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class GCDemo {
   public static void main(String[] args) {
       List