JVM内存与GC机制全景深度剖析：从对象诞生到垃圾回收的完整生命周期

本文将从对象完整生命周期的视角，系统性地阐述JVM内存管理和垃圾回收机制。你将看到对象如何出生、如何存活、如何晋升，以及最终如何被回收的完整过程。

核心叙事线：一个对象的"人生旅程"

• 出生：在堆内存中分配（Eden区）
• 成长：在Survivor区中经历多次GC考验
• 成熟：晋升到老年代安享晚年
• 终结：被GC回收，生命结束
• 底层支撑：内存模型如何保证这个过程的线程安全

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第一部分：对象的诞生与内存分配

1.1 内存的舞台：运行时数据区全景

在对象出生之前，我们先看看JVM为它准备了什么样的舞台。

1.2 对象的创建过程（逐步分解）

/* by yours.tools - online tools website : yours.tools/zh/jp2compression.html */
Object obj = new Object();

这行简单代码背后，JVM执行了复杂的操作：

1. 类加载检查：检查new指令的参数是否能在常量池中定位到类的符号引用，并检查类是否已被加载、解析和初始化。

2. 内存分配：在堆中为新生对象分配内存。分配方式有两种：

   • 指针碰撞：内存规整时，移动指针划分内存
   • 空闲列表：内存不规整时，从空闲列表中找到足够大的空间

3. 内存空间初始化：将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）

4. 设置对象头：存储对象的元数据（哈希码、GC分代年龄、锁状态等）

5. 执行 <init>****方法：按照程序员的意愿进行初始化

其中Mark Word 在32位虚拟机中结构如下：

在64位虚拟机中结构如下：

1.3 内存分配策略

1. 优先在Eden区分配：大多数新对象在Eden区分配
2. 大对象直接进入老年代：避免在Eden区和Survivor区之间大量复制
3. 长期存活的对象进入老年代：对象年龄计数器达到阈值（默认15）时晋升
4. 动态年龄判定：Survivor区中相同年龄所有对象大小超过Survivor空间一半时，年龄≥该年龄的对象直接晋升

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第二部分：对象的存活与GC算法

2.1 判断对象存活的算法

引用计数法（Python采用）：

• 优点：实现简单，判断高效
• 缺点：无法解决循环引用问题

可达性分析算法（Java采用）：

• 从GC Roots对象作为起点，向下搜索，走过的路径称为"引用链"
• 如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，则判定为可回收

GC Roots包括：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中JNI引用的对象
• Java虚拟机内部的引用（基本类型对应的Class对象、系统类加载器等）
• 被同步锁持有的对象

2.2 引用类型：强、软、弱、虚

1. 强引用：普通的Object obj = new Object()，永远不会被GC
2. 软引用：内存不足时会被回收，适合做缓存
3. 弱引用：下次GC时就会被回收
4. 虚引用：无法通过虚引用获取对象，主要用于跟踪对象被回收的状态

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1. 强引用

• 创建语句：就是普通的对象赋值。

  /* by yours.tools - online tools website : yours.tools/zh/jp2compression.html */
  Object obj = new Object(); // obj就是一个强引用
  String str = "Hello";     // str也是一个强引用
  

• 核心特性：

  • 只要强引用关系存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
  • 当内存不足时，JVM 会抛出 OutOfMemoryError错误，也不会通过回收强引用的对象来释放内存。

• 回收时机：当对象没有任何强引用指向它时（例如将 obj设置为 null，或者 obj离开了作用域），它才变得可被回收。

• 典型使用场景：我们日常开发中 99% 的代码都在使用强引用。它是构成程序骨架的默认引用类型。

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2. 软引用

• 创建语句：使用 java.lang.ref.SoftReference类。

  // 创建一个强引用的对象
  Object strongRef = new Object();
  // 用一个强引用对象来创建一个软引用
  SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(strongRef);
  
  // 通常也会配合引用队列(ReferenceQueue)使用
  ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
  SoftReference<Object> softRefWithQueue = new SoftReference<>(strongRef, queue);
  
  // 取消强引用，此时只剩下softRef这个软引用
  strongRef = null;
  
  // 需要时尝试获取对象
  Object target = softRef.get(); // 如果对象未被回收，则target不为null
  if (target != null) {
      // 对象还存在，可以使用
  } else {
      // 对象已被回收，需要重新创建
  }
  

• 核心特性：在系统内存不足时，垃圾收集器会回收掉只被软引用指向的对象。回收发生在 OOM 错误被抛出之前。

• 回收时机：内存不足时。

• 典型使用场景：非常适合实现内存敏感的缓存。

  • 图片缓存：将大量图片数据放在软引用缓存中。当应用内存紧张时（例如在后台运行，系统需要内存），缓存会被自动清除，避免 OOM。当用户再次回到应用时，虽然缓存可能没了，但可以从磁盘或网络重新加载。
  • 计算结果缓存：缓存一些计算成本高但非必需的结果。

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3. 弱引用

• 创建语句：使用 java.lang.ref.WeakReference类。

  Object strongRef = new Object();
  WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(strongRef);
  
  // 取消强引用
  strongRef = null;
  
  // 强制执行GC（仅用于演示，生产代码中不要轻易调用）
  System.gc();
  
  // GC后，weakRef.get()有很大概率返回null
  if (weakRef.get() == null) {
      System.out.println("对象已被GC回收");
  }
  

• 核心特性：无论内存是否充足，只要发生了垃圾收集，并且对象只被弱引用指向，那么这个对象就会被回收。它的生命周期比软引用更短。

• 回收时机：下一次垃圾收集发生时。

• 典型使用场景：

  • WeakHashMap****的键：WeakHashMap的键是弱引用。当某个键对象除了在 WeakHashMap中被弱引用外，没有其他强引用时，下次GC这个键值对就会被自动移除。常用于存储对象的元数据，当对象本身失效时，元数据自动清理。
  • 防止内存泄漏的辅助结构：例如，在某些监听器模式下，可以用弱引用来保存监听器，这样当主对象不再使用时，监听器不会因为被缓存而无法回收。但使用时要非常小心，因为监听器可能在任何时候被GC掉。
  • ThreadLocal 中的 ThreadLocalMap****的键 也使用了弱引用来避免内存泄漏（但值仍然是强引用，所以正确使用后需要手动 remove()）。

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4. 虚引用

• 创建语句：使用 java.lang.ref.PhantomReference类。必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。

  Object strongRef = new Object();
  ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
  PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(strongRef, queue);
  
  // 取消强引用
  strongRef = null;
  
  // 此时，phantomRef.get() 永远返回 null，无法通过它获取对象
  
  // 执行GC后，对象被回收，JVM会将虚引用对象phantomRef本身加入到队列queue中
  System.gc();
  
  // 检查引用队列，如果有元素出队，说明被监控的对象被回收了
  Reference<?> ref = queue.poll();
  if (ref != null) {
      System.out.println("检测到对象被回收，可以进行后续清理工作");
      // 通常在这里执行一些堆外内存释放等收尾操作
  }
  

• 核心特性：

  1. 无法通过虚引用获取对象实例，即 get()方法总是返回 null。
  2. 唯一作用是利用引用队列跟踪对象被垃圾回收的准确时刻。
  3. 虚引用本身比它所引用的对象更“坚强”，需要显式地将其从队列中取出后，它本身才会被GC。

• 回收时机：对象被GC的最终阶段。可以认为一个对象设置了虚引用，就等于被“判了死刑”，但虚引用就像刑场外的记者，它的存在让你能准确知道“行刑”（对象被回收）这个事件发生了。

• 典型使用场景：

  • 管理堆外内存（如 NIO 的 DirectByteBuffer）: 这是最经典的用途。JVM 的堆内存由 GC 管理，但通过 Unsafe或 NIO 分配的堆外内存 GC 管不了。我们可以在 Java 堆中创建一个很小的对象（如 DirectByteBuffer）来代表一块很大的堆外内存，并为这个对象关联一个虚引用。当这个小的 Java 对象被 GC 回收时（意味着没有强引用再指向它），通过虚引用队列的通知，我们就可以知道此时应该去释放对应的堆外内存，从而避免堆外内存泄漏。

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总结对比

引用类型	创建方式	垃圾回收时机	生存时间（强度）	用途
强引用	Object obj = new Object()	永远不会	最强	程序默认状态，所有正常对象创建
软引用	SoftReference softRef = new SoftReference(obj)	内存不足时	较强	实现内存敏感缓存（如图片缓存）
弱引用	WeakReference weakRef = new WeakReference(obj)	下一次GC时	较弱	WeakHashMap、防止内存泄漏的辅助缓存
虚引用	PhantomReference phantomRef = new PhantomReference(obj, queue)	对象被回收的最终时刻	最弱（无法获取对象）	跟踪对象被回收的事件，用于堆外内存释放等收尾工作

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第三部分：垃圾回收算法与实现

3.1 基础回收算法

标记-清除算法：

• 过程：先标记所有需要回收的对象，然后统一回收
• 缺点：产生内存碎片，分配大对象时可能失败
• 
• 图片出处：https://www.cnblogs.com/trunks2008/p/15341715.html

复制算法：

• 过程：将内存分为两块，每次使用一块，将存活对象复制到另一块
• 优点：没有碎片，实现简单
• 缺点：内存利用率只有50%
• 
• 图片出处：https://www.cnblogs.com/trunks2008/p/15341715.html

标记-整理算法：

• 过程：标记存活对象，让所有存活对象向一端移动，然后清理边界外的内存
• 优点：没有碎片问题
• 缺点：移动对象成本高
• 
• 图片出处：https://www.cnblogs.com/trunks2008/p/15341715.html

3.2 分代收集理论：现代GC的基石

基于弱分代假说和强分代假说，堆内存被划分为：

1. 新生代：对象朝生夕死，回收频繁

   • 采用复制算法
   • 比例：Eden:Survivor:Survivor = 8:1:1

2. 老年代：对象存活率高，回收不频繁

   • 采用标记-清除或标记-整理算法

3. 跨代引用问题：老年代对象引用新生代对象，需要额外处理

• 图片出处：https://www.cnblogs.com/trunks2008/p/15341715.html

3.3 分代GC完整流程

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第四部分：现代垃圾回收器详解

4.1 回收器分类

分类	新生代回收器	老年代回收器	特点
串行	Serial	Serial Old	单线程，STW时间长
并行	ParNew	Parallel Old	多线程，吞吐量优先
并发	-	CMS, G1, ZGC	低延迟优先

4.2 回收器多维度对比

4.2 重要回收器深度解析

CMS（Concurrent Mark-Sweep）回收器：

• 目标：最短回收停顿时间
• 过程：初始标记→并发标记→重新标记→并发清除
• 缺点：产生内存碎片，对CPU资源敏感

G1（Garbage-First）回收器：

• 革命性变化：将堆划分为多个Region，优先回收价值最大的Region
• 过程：初始标记→并发标记→最终标记→筛选回收
• 可预测的停顿时间模型

ZGC和Shenandoah：

• 目标：亚毫秒级停顿时间
• 关键技术：染色指针、读屏障
• 几乎在所有停顿时间上都优于G1

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第五部分：内存模型与GC的协同工作

5.1 并发的基石：JMM保证GC的正确性

GC过程中，JMM的关键作用：

1. 安全点：GC发生时，所有线程必须到达一个安全点才能暂停
2. 记忆集：解决跨代引用问题，避免全堆扫描
3. 写屏障：在对象引用写入时执行额外操作，维护记忆集

5.2 实战案例：为什么GC需要Stop-The-World

// 在GC过程中，如果没有STW，可能发生：
// 线程A：读取对象O的字段f
// GC线程：移动对象O到新位置
// 线程A：使用字段f（此时对象已移动，可能访问到错误内存）

// JMM通过STW保证在GC过程中对象引用关系不会变化

5.3 内存屏障与GC的协同

• 读屏障：在读取引用前执行，用于并发标记（G1、ZGC）
• 写屏障：在写入引用后执行，用于维护记忆集

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完整生命周期案例：一个Web请求对象的旅程

让我们通过一个具体案例，完整理解对象的一生：

@RestController
public class UserController {
    @GetMapping("/user/{id}")
    public User getUser(@PathVariable String id) {
        // 1. id字符串在栈上分配（可能栈分配优化）
        // 2. User对象在Eden区分配
        User user = userService.findById(id);
        
        // 3. 方法返回，user引用出栈，但User对象仍在堆中
        // 4. 如果请求频繁，Eden区满，触发Minor GC
        // 5. 如果user对象仍被外部引用（如缓存），在可达性分析中存活
        // 6. 经历多次Young GC后，晋升到老年代
        // 7. 最终缓存失效，对象不可达，被Full GC回收
        return user;
    }
}