深入理解Java的垃圾回收機制（GC）實現原理
Java的垃圾回收機制（Garbage Collection, GC）是其記憶體管理的核心功能之一。透過GC，Java自動管理物件的生命週期，回收不再使用的物件所佔的記憶體空間。本文將詳細探討GC的實現原理、不同演算法的細節以及其在JVM中的應用。
1. 垃圾回收的基本原理
垃圾回收的主要任務是識別和回收不再使用的物件。GC的基本工作過程包括：
標記階段：標記所有存活的物件。
清除階段：回收所有未標記的物件。
壓縮階段（可選）：整理記憶體碎片。
2. 垃圾回收演算法
2.1 標記-清除（Mark-Sweep）演算法
標記-清除演算法是最基本的垃圾回收演算法，分為兩個階段：
標記階段：從根集合（GC Roots）開始，遞迴標記所有可達的物件。
清除階段：遍歷整個堆，回收未標記的物件。
標記-清除演算法的主要缺點是清除後會產生記憶體碎片。
// 標記階段
void mark(Object obj) {
if (obj == null || obj.isMarked()) return;
obj.mark();
for (Object child : obj.getChildren()) {
mark(child);
}
}
// 清除階段
void sweep() {
for (Object obj : heap) {
if (!obj.isMarked()) {
heap.remove(obj);
} else {
obj.unmark();
}
}
}
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2.2 複製（Copying）演算法
複製演算法將記憶體分為兩個區域，每次只使用其中一個區域。當活動區域用完時，將存活的物件複製到另一塊區域，然後清空當前區域。
a. 複製階段：將所有存活的物件從使用的區域複製到空閒區域。
b. 交換區域：清空當前區域，並交換使用和空閒區域的角色。
複製演算法的主要優點是沒有記憶體碎片，缺點是需要雙倍的記憶體空間。
void copy() {
for (Object obj : fromSpace) {
if (obj.isAlive()) {
toSpace.add(obj);
}
}
fromSpace.clear();
// 交換 fromSpace 和 toSpace
List<Object> temp = fromSpace;
fromSpace = toSpace;
toSpace = temp;
}
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2.3 標記-壓縮（Mark-Compact）演算法
標記-壓縮演算法結合了標記-清除和複製演算法的優點。它在標記階段標記所有存活物件，然後在壓縮階段將存活物件移動到堆的一端，釋放出連續的記憶體空間。
a. 標記階段：標記所有存活物件。
b. 壓縮階段：將存活物件移動到堆的一端，按順序排列。
void markCompact() {
// 標記階段
mark(root);
// 壓縮階段
int free = 0;
for (Object obj : heap) {
if (obj.isMarked()) {
heap[free++] = obj;
obj.unmark();
}
}
// 清除剩餘的物件
for (int i = free; i < heap.length; i++) {
heap[i] = null;
}
}
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2.4 分代收集（Generational Collection）演算法
分代收集演算法基於物件的存活時間，將堆記憶體分為幾代：年輕代（Young Generation）、年老代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation）。各代使用不同的收集演算法。
年輕代：物件生命週期短，頻繁發生GC，使用複製演算法。
年老代：物件生命週期長，使用標記-清除或標記-壓縮演算法。
永久代：儲存類的後設資料（在Java 8及以後版本中被元空間（Metaspace）替代）。
class GenerationalGC {
void minorGC() {
copy(youngGeneration.fromSpace, youngGeneration.toSpace);
}
void majorGC() {
markCompact(oldGeneration);
}
}
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3. JVM中的垃圾收集器
Java虛擬機器（JVM）實現了多種垃圾收集器，不同收集器適用於不同的應用場景：
3.1 Serial 收集器
Serial 收集器是單執行緒的，適用於單處理器環境和客戶端應用。
class SerialGC extends GarbageCollector {
void collect() {
markSweep();
}
}
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3.2 Parallel 收集器
Parallel 收集器是多執行緒的，適用於多處理器環境，需要高吞吐量的應用
class ParallelGC extends GarbageCollector {
void collect() {
parallelMarkSweep();
}
}
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3.3 CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器
CMS 收集器是低延遲收集器，目標是最小化停頓時間，適合對響應時間要求高的應用。
class CMSGC extends GarbageCollector {
void collect() {
concurrentMarkSweep();
}
}
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3.4 G1（Garbage-First）收集器
G1 收集器是分割槽收集器，將堆劃分為多個區域，優先收集垃圾最多的區域，適合大記憶體、多處理器的伺服器應用
class G1GC extends GarbageCollector {
void collect() {
initialMarking();
concurrentMarking();
finalMarking();
liveDataCountingAndEvacuation();
}
}
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4. GC的工作過程
以G1收集器為例，詳細描述其工作過程：
a. 初始標記（Initial Marking）：標記從GC Roots直接可達的物件。需要短暫停頓（Stop-the-World）。
b. 併發標記（Concurrent Marking）：從GC Roots開始，遍歷物件圖，標記所有可達物件。與應用執行緒併發執行。
c. 最終標記（Final Marking）：完成標記過程，修正併發標記期間發生變化的部分物件引用。需要短暫停頓。
d. 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation）：計算各區域的回收價值，並按價值排序。回收價值高的區域優先進行垃圾收集。需要短暫停頓。
5. GC調優
根據應用需求，透過調整JVM引數來最佳化GC效能：
調整堆大小：使用 -Xms 和 -Xmx 引數設定最小和最大堆大小。
選擇合適的收集器：根據應用場景選擇合適的垃圾收集器。
調整年輕代和年老代的比例：使用 -XX:NewRatio 引數設定年輕代和年老代的比例。
設定GC日誌：使用 -Xlog:gc 引數啟用GC日誌，以監控和分析GC行為。
6. 總結
GC是Java虛擬機器的重要組成部分，透過自動記憶體管理，GC提高了Java程式的穩定性和安全性。理解GC的工作原理和不同收集器的特點，有助於選擇合適的GC策略，最佳化應用效能。透過合理配置JVM引數，可以提高GC效率，減少應用停頓時間，提升系統的整體效能。