Java 垃圾回收机制详解

Java 的垃圾回收（Garbage Collection，GC）机制是自动管理内存的重要组成部分，旨在释放不再使用的对象所占用的内存。以下将详细介绍 Java 的堆结构、分配回收规则、死亡对象的判断方法以及 GC 的工作原理。

1. 堆的结构

Java 堆是 JVM 用于存储对象的内存区域，通常被称为 GC 堆。根据不同的 JDK 版本，堆的结构有所不同：

• JDK 1.7：新生区（Young Generation）、老年区（Old Generation）、永久区（Permanent Generation）
• JDK 1.8：新生区（Young Generation）、老年区（Old Generation）、元空间（Metaspace）

2. 分配回收规则

2.1 小对象的分配

• 直接放入新生区：如果新生区未满，直接将对象放入新生区。
• 小 GC（Minor GC）：
  • 当新生区满时，执行小 GC。
  • 对象可以直接放入老年区进行内存空间担保。
  • 如果老年区仍然满，则执行老年区的专业 GC。

2.2 大对象的分配

• 直接进入老年区：如字符串、数组等大对象会直接被分配到老年区。

2.3 长期存活的对象

• 对象在每次小 GC 后年龄加一，默认达到 15 岁时进入老年区。

2.4 内存空间担保

• 确保在 Minor GC 之前，老年代有足够空间容纳新生代所有对象。

3. GC 总结

3.1 垃圾收集类型

• 部分收集（Partial GC）：

  • 新生代收集（Minor GC）：只对新生代进行垃圾收集。
  • 老年代收集（Major GC）：只对老年代进行垃圾收集。

• 混合收集（Mixed GC）：

  • 对整个新生代和部分老年代进行垃圾收集。

• 整堆收集（Full GC）：

  • 收集整个 Java 堆和方法区。

4. 死亡对象的判断方法

4.1 引用计数器

• 每当有地方引用对象，计数器加 1；引用失效则减 1。
• 问题：循环引用导致计数器永远不为 0，GC 无法回收。

4.2 可达性分析

• 通过一系列称为 “GC Roots” 的对象作为起点，向下搜索引用链。
• 如果一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连，则证明该对象不可用，需要被回收。

GC Roots 示例

• 虚拟机栈中的局部变量表引用的对象
• 本地方法栈中引用的对象
• 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
• 被同步锁持有的对象
• JNI（Java Native Interface）引用的对象

5. 四种引用类型

• 强引用：最常见的引用类型，GC 不会回收。
• 软引用：用于描述一些还有用但非必需的对象，内存不足时会被回收。
• 弱引用：描述非必需对象，GC 会在下一次回收时回收。
• 虚引用：用于跟踪对象的回收，无法通过虚引用获取对象。

6. GC 如何判断对象死亡

• 对象没有任何实例。
• 没有任何引用指向该对象。
• 该类的类加载被回收。

7. 新生代与老年代的分区原因

• 不同的回收算法：
  • 新生代：对象死亡率高，使用“标记-复制”算法。
  • 老年代：对象存活率高，使用“标记-清除”或“标记-整理”算法。

结论

理解 Java 的垃圾回收机制对于优化内存管理、提高应用性能至关重要。通过合理配置 GC 策略和理解对象的生命周期，开发者可以更有效地控制内存使用，避免内存泄漏和性能问题。