Java垃圾收集机制详解

基础概念

Java垃圾收集(Garbage Collection, GC)是Java虚拟机(JVM)自动管理内存的机制，它负责回收不再被程序使用的对象所占用的内存空间。与C/C++等需要手动管理内存的语言不同，Java开发者不需要显式地释放对象内存。

垃圾收集的优势

1. 自动内存管理：减少内存泄漏和野指针问题
2. 提高开发效率：开发者无需关心内存释放
3. 安全性增强：避免非法内存访问
4. 系统稳定性：减少因内存管理不当导致的崩溃

垃圾收集的类型

1. 按代划分

• 新生代(Young Generation)：存放新创建的对象
  • Eden区：对象最初被分配的区域
  • Survivor区(S0和S1)：经过一次GC后存活的对象
• 老年代(Old Generation)：存放长期存活的对象
• 永久代/元空间(PermGen/Metaspace)：存放类元数据(Java 8后改为Metaspace)

2. 按算法划分

• 标记-清除(Mark-Sweep)：标记无用对象后直接清除
• 标记-整理(Mark-Compact)：标记后整理内存，减少碎片
• 复制算法(Copying)：将存活对象复制到新区域
• 分代收集(Generational)：结合上述算法，对不同代使用不同策略

主要垃圾收集器

1. Serial GC：单线程收集器，适合客户端应用
2. Parallel GC(吞吐量优先)：多线程收集器，适合后台处理
3. CMS(Concurrent Mark-Sweep)：低停顿收集器，已废弃
4. G1(Garbage-First)：面向服务端，平衡吞吐量和停顿时间
5. ZGC：超低延迟收集器(JDK11+)
6. Shenandoah：低延迟收集器(非Oracle JDK)

常见问题及解决方案

1. 内存泄漏

现象：内存持续增长，频繁Full GC但回收效果不佳 原因：

• 静态集合类持有对象引用
• 未关闭的资源(连接、流等)
• 监听器未注销
• 不合理的缓存设计

解决方案：

// 错误示例 - 静态Map导致内存泄漏
public class LeakExample {
    private static Map<String, Object> cache = new HashMap<>();
    
    public void addToCache(String key, Object value) {
        cache.put(key, value);
    }
}

// 正确做法 - 使用WeakHashMap或设置大小限制
public class FixedExample {
    private static Map<String, Object> cache = new WeakHashMap<>();
    // 或使用有大小限制的缓存
    private static Map<String, Object> limitedCache = Collections.synchronizedMap(
        new LinkedHashMap<String, Object>(100) {
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
                return size() > 100;
            }
        });
}

2. Full GC频繁

现象：系统卡顿，响应时间变长 原因：

• 老年代空间不足
• 大对象直接进入老年代
• 系统吞吐量设置不合理

解决方案：

• 增加堆内存：-Xmx和-Xms
• 调整新生代与老年代比例：-XX:NewRatio
• 选择合适的GC策略，如G1：
• 选择合适的GC策略，如G1：

3. GC停顿时间过长

现象：应用出现明显卡顿 原因：

• 堆内存过大
• GC算法选择不当
• 对象分配速率过高

解决方案：

• 考虑使用低延迟收集器(ZGC/Shenandoah)
• 减小堆大小或调整区域大小
• 优化对象创建模式，避免短时间大量创建对象

最佳实践

1. 合理设置堆大小：
2. 合理设置堆大小：
3. 选择合适的收集器：
   • 吞吐量优先：-XX:+UseParallelGC
   • 低延迟：-XX:+UseZGC(JDK11+)

• 监控GC日志：
• 监控GC日志：
• 避免创建过多临时对象：
• 避免创建过多临时对象：
• 处理大对象：
  • 使用-XX:PretenureSizeThreshold设置直接进入老年代的对象大小阈值
  • 考虑对象池化技术

应用场景建议

1. Web应用：G1或CMS(JDK8)
2. 大数据处理：Parallel GC
3. 低延迟系统：ZGC或Shenandoah
4. Android应用：ART的GC(与标准JVM不同)

通过合理选择和调优垃圾收集器，可以显著提高Java应用的性能和稳定性。