JVM垃圾回收算法实现原理深度解析
一、核心算法分类与实现原理
1.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）
实现流程：
- 标记阶段：从GC Roots出发，通过深度优先搜索（DFS）遍历对象图，标记所有可达对象
- 清除阶段：遍历整个堆内存，回收未被标记的对象
关键实现细节：
- 使用位图（Mark Bitmap）记录对象存活状态
- 采用三色标记法（白色-未访问，灰色-已访问未处理，黑色-已处理）
- 清除阶段会产生内存碎片
伪代码示例：
void markSweep() {
// 标记阶段
for (Object root : GC_ROOTS) {
mark(root);
}
// 清除阶段
for (Object obj : heap) {
if (!obj.marked) {
free(obj);
}
}
}
应用场景：老年代回收（CMS收集器的基础）
1.2 复制算法（Copying）
内存划分：
- Eden区（80%） + Survivor From/To区（各10%）
实现流程：
- 新生代对象优先分配到Eden区
- Minor GC时，将存活对象复制到Survivor区
- 经过多次GC仍存活的对象晋升到老年代
优化策略：
- Bump-the-Pointer：快速分配内存，仅需记录当前指针位置
- TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）：线程私有分配缓冲区
伪代码示例：
void copyGC() {
// 复制存活对象
for (Object obj : fromSpace) {
if (isLive(obj)) {
copyToToSpace(obj);
}
}
// 交换空间角色
swap(fromSpace, toSpace);
}
应用场景：新生代回收（Serial/Parallel收集器）
1.3 标记-整理算法（Mark-Compact）
实现流程：
- 标记阶段：与标记-清除相同
- 整理阶段：将存活对象向内存一端移动
- 更新所有引用指针
内存整理策略：
- 滑动整理：对象依次紧凑排列
- 空闲列表：记录可用内存块
伪代码示例：
void markCompact() {
// 标记阶段
markPhase();
// 整理阶段
compactPhase();
// 清除末尾空间
sweepTail();
}
应用场景：老年代回收（Serial Old/G1收集器）
1.4 分代收集算法（Generational）
代际划分：
| 代际 | 存活时间 | 回收频率 | 算法组合 |
|---|---|---|---|
| 新生代 | 短（ms） | 高频 | 复制算法 |
| 老年代 | 长（h） | 低频 | 标记-清除/整理 |
| 永久代 | 永久 | 极低 | 无（JDK8后移除） |
分代策略优势：
- 降低老年代回收频率
- 提高新生代回收效率
二、主流垃圾回收器实现
2.1 CMS（Concurrent Mark-Sweep）
工作流程：
- 初始标记（STW）：标记GC Roots直接关联对象
- 并发标记：与应用线程并行标记
- 重新标记（STW）：修正并发标记期间的变动
- 并发清除：与应用线程并行回收
核心优化：
- 使用写屏障（Write Barrier）记录对象引用变化
- 采用卡表（Card Table）管理跨代引用
缺点：
- 无法处理浮动垃圾
- 内存碎片问题突出
2.2 G1（Garbage-First）
内存结构：
- 将堆划分为2048个大小相等的Region
- 每个Region标记为E（Eden）、S（Survivor）、O（Old）、H（Humongous）
回收策略：
- 年轻代回收：复制算法处理Eden+S区
- 混合回收：并行处理年轻代+部分老年代
- Full GC：单线程标记-整理
核心优势：
- 可预测停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）
- 支持大堆内存（TB级别）
2.3 ZGC（Z Garbage Collector）
实现创新：
- 染色指针（Colored Pointers）：利用对象头64位中的部分位记录GC信息
- 读屏障（Load Barrier）：实时识别对象状态
- 并发整理：全阶段并发执行
性能指标：
- 停顿时间<10ms
- 支持TB级堆内存
三、关键实现技术
3.1 可达性分析
GC Roots类型：
- 虚拟机栈中的局部变量
- 方法区的静态属性
- JNI全局引用
- 活跃线程对象
三色标记法：
| 颜色 | 状态说明 |
|---|---|
| 白色 | 未被访问的对象 |
| 灰色 | 已访问但未处理引用的对象 |
| 黑色 | 已访问且处理完引用的对象 |
3.2 内存分配优化
TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）：
- 每个线程私有的内存分配缓冲区
- 减少锁竞争，提升分配效率
指针碰撞（Bump-the-Pointer）：
- 通过记录当前分配指针快速分配内存
- 适用于Eden区的连续内存分配
3.3 并发控制机制
写屏障（Write Barrier）：
void oopFieldStore(oop* field, oop newOop) {
// 记录旧引用
recordOldReference(field);
// 更新指针
*field = newOop;
}
卡表（Card Table）：
- 将老年代划分为512B的卡页
- 跨代引用时标记对应卡页为脏
四、性能调优实践
4.1 参数配置示例
# G1收集器配置
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45
# ZGC配置
-XX:+UseZGC
-XX:ZAllocationSpikeTolerance=2.0
4.2 GC日志分析
关键指标：
GC pauses：停顿时间Throughput：吞吐量（应用运行时间占比）Humongous Allocation：大对象分配频率
分析工具：
GCViewer：可视化分析GC日志Eclipse MAT：堆转储分析
4.3 常见问题排查
内存泄漏特征：
- Full GC频繁但堆内存无明显下降
- 老年代对象存活率持续增长
诊断步骤：
- 启用
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError - 使用
jmap生成堆转储 - 通过MAT分析对象引用链
五、演进趋势
5.1 低延迟方向
- Shenandoah：完全并发的垃圾回收器
- Epsilon：无操作的"空"收集器（用于性能测试）
5.2 大内存支持
- Mmtk（Meta Memory Toolkit）：为JVM设计的内存管理框架
- Project Leyden：静态镜像+运行时优化的混合方案
5.3 智能化调优
- 自适应算法：根据应用负载动态调整参数
- AI预测：基于历史数据预测GC行为
通过合理选择垃圾回收算法和调优参数，可将GC停顿时间降低90%以上。建议生产环境根据应用特性（如延迟敏感型选择ZGC，吞吐量优先选择Parallel GC）进行组合优化。
