JVM垃圾回收算法与垃圾收集器详解

垃圾回收算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）
该算法分为标记和清除两个阶段。标记阶段遍历所有可达对象，清除阶段回收未被标记的对象。缺点是会产生内存碎片，影响大对象分配效率。

复制算法（Copying）
将内存分为两块，每次只使用一块。垃圾回收时，将存活对象复制到另一块内存，清空原内存块。优点是高效且无碎片，但内存利用率仅50%。

标记-整理算法（Mark-Compact）
标记存活对象后，将所有存活对象向一端移动，清理边界外内存。解决了内存碎片问题，但移动对象成本较高。

分代收集理论
基于对象存活周期差异，将堆分为新生代和老年代。新生代采用复制算法（存活率低），老年代采用标记-清除或标记-整理算法。

垃圾收集器实现

Serial收集器
单线程工作的收集器，全程STW（Stop-The-World）。适用于客户端模式或内存较小的场景，新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。

• 优点：简单高效，无线程交互开销。
• 缺点：STW时间长。

Parallel Scavenge收集器
新生代并行收集器，采用复制算法，注重吞吐量优化（CPU利用率最大化）。支持自适应调节策略，适合后台运算任务。

• 参数控制：-XX:MaxGCPauseMillis（最大停顿时间）、-XX:GCTimeRatio（吞吐量权重）。

ParNew收集器
Serial收集器的多线程版本，与CMS配合使用。新生代采用复制算法，默认线程数与CPU核心数相同。

• 适用场景：需低延迟的CMS组合方案。
• 参数控制：-XX:ParallelGCThreads（线程数）。

CMS收集器（Concurrent Mark-Sweep）
以最短回收停顿时间为目标的老年代收集器，基于标记-清除算法，过程分为：

1. 初始标记（STW）：标记GC Roots直接关联对象。
2. 并发标记：遍历对象图。
3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间的变动。
4. 并发清除：清理垃圾对象。

• 优点：低停顿时间。
• 缺点：内存碎片敏感，并发阶段占用CPU资源。

关键参数与调优建议

• 新生代调优
  -Xmn设置新生代大小，过大导致老年代空间不足，过小增加Minor GC频率。
  -XX:SurvivorRatio调整Eden与Survivor区比例。

• 老年代调优
  CMS需预留空间：-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70（触发比例）。
  碎片整理：-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection（Full GC时整理）。

• 通用参数
  -XX:+PrintGCDetails启用详细GC日志，-Xloggc:<path>指定日志路径。

典型问题与解决方案

内存碎片导致Full GC
CMS运行期间可能因碎片无法分配大对象，触发Serial Old收集器。解决方案：

• 增大老年代空间或降低CMSInitiatingOccupancyFraction。
• 改用G1收集器（区域化内存布局）。

并发模式失败（Concurrent Mode Failure）
CMS未完成回收时老年代已满。需提高并发周期启动阈值或增加堆大小。

通过合理选择算法与收集器组合，并针对性调优，可平衡吞吐量、延迟与内存占用，满足不同应用场景需求。