JVM—垃圾收集算法和HotSpot算法实现细节

Java虚拟机（JVM）的垃圾收集机制是Java应用程序性能和稳定性的关键组成部分。JVM通过多种垃圾收集算法和技术来管理内存，确保系统高效运行。本文将深入探讨JVM的垃圾收集算法及其在HotSpot虚拟机中的实现细节。

一、垃圾收集算法

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）

步骤：

• 标记阶段：遍历所有可达对象并标记。
• 清除阶段：清除所有未标记的对象，释放内存。

优点：

• 简单实现。

缺点：

• 空间碎片化。
• 清除阶段的性能开销较大。

2. 标记-整理算法（Mark-Compact）

步骤：

• 标记阶段：与标记-清除算法类似，标记所有可达对象。
• 整理阶段：将所有存活对象移动到内存的一端，整理内存，释放边界外的空间。

优点：

• 避免空间碎片化。

缺点：

• 对象移动增加了额外的性能开销。

3. 复制算法（Copying）

步骤：

• 将内存分为两部分，每次只使用其中一部分。
• 在垃圾收集时，将存活的对象复制到另一部分空间。

优点：

• 高效的内存分配和回收。
• 无空间碎片化。

缺点：

• 需要额外的内存空间（两倍于实际需要）。

4. 分代收集算法（Generational Collection）

概念：

• 将堆内存分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
• 年轻代进一步分为Eden区和两个Survivor区（S0和S1）。

工作机制：

• 年轻代中的对象频繁垃圾收集，存活时间短。
• 老年代中的对象存活时间长，较少进行垃圾收集。

二、HotSpot垃圾收集器

HotSpot虚拟机实现了多种垃圾收集器，每种收集器适用于不同的场景和需求。

1. Serial收集器

特点：

• 单线程工作。
• 适用于单处理器环境。

命令：

-XX:+UseSerialGC

2. Parallel收集器

特点：

• 多线程工作。
• 注重吞吐量，适用于多处理器环境。

命令：

-XX:+UseParallelGC

3. CMS收集器（Concurrent Mark-Sweep）

特点：

• 并发标记和清除。
• 低停顿时间，适用于交互响应快的应用。

命令：

-XX:+UseConcMarkSweepGC

4. G1收集器（Garbage-First）

特点：

• 面向服务端应用。
• 低停顿时间和高吞吐量的平衡。

命令：

-XX:+UseG1GC

三、垃圾收集器的工作流程

1. Serial收集器

年轻代收集：

• Eden区满：触发Minor GC，将存活对象复制到Survivor区。

老年代收集：

• 老年代满：触发Major GC或Full GC，进行标记-清除或标记-整理。

2. Parallel收集器

年轻代收集：

• 多线程并行执行Minor GC。

老年代收集：

• 多线程并行执行标记-整理。

3. CMS收集器

初始标记：

• 标记根对象，时间短。

并发标记：

• 并发标记所有可达对象。

重新标记：

• 重新标记遗漏的对象，时间短。

并发清除：

• 并发清除未标记的对象。

4. G1收集器

初始标记：

• 标记根对象，时间短。

并发标记：

• 并发标记所有可达对象。

最终标记：

• 重新标记遗漏的对象，时间短。

筛选回收：

• 根据回收收益，回收部分Region。

四、垃圾收集器的选择和调优

选择合适的垃圾收集器和调优参数，能够提高系统性能和稳定性。

1. 堆内存设置

-Xms<size> // 设置初始堆大小
-Xmx<size> // 设置最大堆大小

2. 年轻代和老年代比例

-XX:NewRatio=<ratio> // 设置年轻代与老年代的比例
-XX:SurvivorRatio=<ratio> // 设置Eden区与Survivor区的比例

3. GC日志输出

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log