JVM垃圾收集器相关面试题（1）

news2025/3/15 20:37:51

垃圾收集与内存管理摘要

一.核心垃圾收集算法对比

算法原理优点缺点适用场景
标记-清除两次遍历（标记存活对象→清除未标记对象）实现简单内存碎片化、双遍历效率低老年代（结合整理）
标记-复制内存对半分，存活对象复制到空白区无碎片、效率高内存利用率50%新生代
标记-整理标记后移动存活对象至内存端无碎片、内存利用率高对象移动开销大老年代

二.分代收集核心机制

内存分代结构

  • 新生代（1/3堆）

    • Eden区：80%空间，新对象初始分配区，通过连续内存分配优化短命对象处理
    • Survivor区：From/To各10%，存放至少存活一次的对象，采用复制算法

  • 老年代（2/3堆）：存放长周期对象，采用标记-清除/整理算法

  • 元空间（本地内存）：类元数据存储，GC条件更宽松

回收流程关键点

  1. Minor GC（新生代）

    • 触发条件：Eden区满
    • 对象晋升：年龄阈值（15）或Survivor空间不足
    • 复制效率：仅处理存活对象，存活率<10%时最优

  2. Full GC（全局）

    • 触发条件：老年代不足/显式调用
    • 性能影响：全堆扫描，停顿时间显著

三.永久代演进对比

特性Java7永久代Java8+元空间
存储位置堆内存本地内存
GC触发条件类+类加载器+反射引用全解除类加载器回收即释放
内存管理固定大小易OOM动态扩展
性能影响Full GC时扫描独立回收机制

四.对象存活判定

  • 可达性分析法：通过GC Roots（栈变量、静态属性、JNI引用）遍历引用链
  • 死亡判定流程：两次标记机制（可达性分析→finalize()自救机会→不可达回收）

关键设计理念：基于对象生命周期特征（98%对象朝生夕死）进行分代优化，通过空间换时间（复制算法）和延迟处理（老年代整理）平衡吞吐量与停顿时间。

正文

一.常见的垃圾收集算法

标记-清楚

原理：

  • 标记：从GC Roots（例如栈中的变量，静态变量等）开始便利，标记出所有被引用的对象

  • 清除：遍历整个堆，清除没被标记的对象。

缺点

  • 标记和清除各遍历一次，效率低下
  • 可能产生大量不连续的空间，当程序需要分配较大内存时，可能会因为无法找到连续的内存空间导致内存不足，从而提前触发垃圾回收。

标记-复制

原理：将内存空间化为等大的两块，一般称为（Form和To空间）。每次只是用其中的一块，当这一块用满后，就将存活的对象复制到另一块空间，然后把原来使用的空间直接清理掉。

优点：

  • 只需要复制存活的对象效率很高
  • 清除后的空间是连续的

缺点

  • 内存空间只占用一般，另一半用来存放复制后的内存，空间浪费严重

标记-整理

原理：

  • 标记：与标记-清除算法相同，从GC Root开始遍历所有存活的对象
  • 整理：将存活对象向内存的一端移动，此过程不会清除垃圾对象，而是会把存活对象直接挪到垃圾对象，类似于赋值操作，然后直接清理掉边界以外的内存空间。

优点

  • 解决了标记-清除算法需要遍历两次和会产生内存碎片的问题，同时也不会和标记-整理算法一样浪费一半的空间

缺点

  • 整理过程需要移动对象，效率相对较低，尤其是对象过多的情况下

分代收集

原理

  • 基于对象存活周期不同，讲内存化为不同的代

  • 新生代:对象通常“朝生夕死”存活率低。一般采用标记-复制算法

  • 老生代:对象通常存活率高，占用空间大。一般采用标记-清除或标记-整理算法

优点

  • 根据对象存活特点采用不同算法，提高垃圾回收效率，减少对应用程序性能的影响。

缺点

  • 需要对堆内存进行分代管理，增加了垃圾回收器的实现复杂度。

二.分代垃圾回收器工作原理详解

分代垃圾回收器是基于一个假说：大部分对象生命周期极短，少数对象长期存活。

堆内存分代结构

  • 新生代

    • 占堆内存的1/3

    • 分为Eden区（80%）和两个Survivor区（From+To 各10%）

      • 为什么要有Eden区？直接和正常的标记-复制算法一样不好吗？只要From和To两个分区
      • 因为大多数内存活不过一次GC，新对象直接在连续内存的 Eden 区分配，避免频繁内存整理。集中处理 “朝生暮死” 的对象，减少对 Survivor 区的频繁操作。
        如果只是用From和To两个Survivor区域，则无法隔离新对象和多次存活对象，导致每次 GC 需扫描全部区域，效率降低。
        所以我们再Survivor中存放的是至少存货过一次的对象，Eden区只存放新对象

    • 新对象优先在Eden区分配，若Eden区空间不足，则出发Minor GC

  • 老生代

    • 占堆内存2/3，存放长期存活的对象
    • 当老生代空间不足时，则出发Full GC或Major GC，回收整个堆

  • 元空间

    • 取代永久代，存放类元数据，常量池等，GC主要针对不在使用的类的加载器和常量池

对象分配与回收流程

1.对象分配

  • 新对象先分配到Eden区，若Eden区已满，则出发Minor GC

  • 大对象（如长数组）会直接进入老年代

2.Minor GC（新生代回收）

前面我们总体到Minor GC，那么他到底是个什么呢？

  • 存活对象：从 Eden 和 Survivor 区复制到另一个 Survivor 区（复制算法）。
  • 对象年龄：每熬过一次 Minor GC，年龄 + 1。
  • 晋升老年代：年龄达到阈值（默认 15）或 Survivor 区空间不足时晋升

3.Full GC（老年代回收）：

  • 触发条件：老年代空间不足、显式调用System.gc()等。

  • 使用标记 - 清除或标记 - 整理算法，回收整个堆，耗时长

三.JVM 永久代中会发生垃圾回收吗

  • Java8前 永久代

    • 存储位置：JVM堆内存
    • GC 条件：类需满足：所有实例被回收 + 类加载器被回收 + 无反射引用。
    • 问题：容易因类加载过多引发` ‍```rustOutOfMemoryError: PermGen space‍````

  • Java8+ 元空间

    • 存储位置：本地内存，不再占用堆。

    • GC 条件：仅需类加载器被回收，自动释放类元数据。

    • 改进：

      • 内存动态扩展，内存取决于物理内存大小
      • 减少 OOM 风险，GC 效率更高。

四.如何判断对象是否存活？

可达性算法

  • 原理： 从CG Roots出发，遍历所有的引用链，无法到达的对象即为死亡

  • GC Roots 包括：

    • 虚拟机栈中局部变量引用的对象。
    • 方法区中静态变量和常量引用的对象。
    • 本地方法栈中 JNI （Java Native Interface）引用的对象

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