JVM虚拟机（七）：JVM垃圾回收器全面解析与G1深度探秘及四种引用详解

一、JVM有哪些垃圾回收器

在Java虚拟机（JVM）中，垃圾回收器负责自动管理内存，回收不再使用的对象所占用的内存空间。不同的垃圾回收器具有不同的特点和适用场景，以下是常见的JVM垃圾回收器：

1. Serial回收器

• 特点：单线程垃圾回收器，在进行垃圾回收时，会暂停所有用户线程（Stop-The-World，STW）。它简单高效，对于单线程环境或小型应用程序有较好的性能表现。
• 适用场景：Client模式下的小型应用，对内存要求不高，单核CPU环境。

2. ParNew回收器

• 特点：Serial回收器的多线程版本，允许多个线程同时进行垃圾回收，同样会产生STW。它常与CMS回收器配合使用，是Server模式下新生代回收的常用选择之一。
• 适用场景：Server模式，多核CPU环境，与CMS配合时的新生代回收。

3. Parallel Scavenge回收器

• 特点：关注吞吐量的垃圾回收器，通过最大化吞吐量来提高程序的运行效率。它也是多线程回收器，可通过参数控制吞吐量目标。
• 适用场景：后台任务、对响应时间要求不高但重视吞吐量的应用，如批量数据处理。

4. Serial Old回收器

• 特点：Serial回收器的老年代版本，单线程回收，使用标记-整理算法。通常作为其他回收器的后备方案，在JVM内存较小、单核环境下仍有一定应用。
• 适用场景：与Serial回收器配合，或作为Parallel Scavenge老年代回收的后备。

5. Parallel Old回收器

• 特点：Parallel Scavenge的老年代版本，多线程，采用标记-整理算法，提供与Parallel Scavenge类似的吞吐量优先特性。
• 适用场景：注重吞吐量的应用，老年代回收，与Parallel Scavenge配合。

6. CMS（Concurrent Mark Sweep）回收器

• 特点：以获取最短回收停顿时间为目标的回收器，采用标记-清除算法。它能在垃圾回收时与用户线程并发执行部分操作，减少STW时间。
• 优点：响应速度快，适合对响应时间要求高的应用，如Web应用。
• 缺点：会产生内存碎片，并发阶段可能因用户线程继续运行导致重新标记，且对CPU资源敏感。
• 适用场景：B/S架构等对响应时间敏感的应用。

7. G1（Garbage-First）回收器

• 特点：新一代垃圾回收器，将堆内存划分为多个大小相等的Region，采用分代收集思想，但不再有固定的新生代和老年代。它能更精确地控制垃圾回收的停顿时间，同时兼顾吞吐量和响应时间。
• 适用场景：大内存、多处理器环境，对停顿时间有严格要求的应用，是JDK 9及以上的默认回收器。

二、详细聊一下G1垃圾回收器

3.6.1 概述

G1（Garbage-First）回收器是一种面向服务器的垃圾回收器，旨在满足高吞吐量和低停顿时间的需求。与传统回收器不同，G1将堆内存划分为大量大小相等的Region（区域），每个Region可以动态地扮演新生代或老年代的角色。G1通过维护一个优先列表，每次根据允许的停顿时间优先回收垃圾最多的Region，这也是其名称“Garbage-First”的由来。这种设计使得G1能更灵活地控制垃圾回收的停顿时间，同时提高内存的利用率和回收效率。

3.6.2 Young Collection（年轻代垃圾回收）

• 回收过程：当新生代的Eden区填满时，触发Young Collection。G1采用复制算法，将Eden区和Survivor区中存活的对象复制到另一个空的Survivor区或晋升到老年代（如果对象年龄达到阈值）。此时会产生STW，但由于新生代对象存活率通常较低，复制操作的开销相对较小。
• 特点：快速处理新生代大量短生命周期的对象，通过多线程并行执行，减少回收时间。

3.6.3 Young Collection + Concurrent Mark（年轻代垃圾回收 + 并发标记）

• 并发标记阶段：
  • 初始标记（Initial Mark）：STW，标记GC Roots直接引用的对象，时间很短。
  • 并发标记（Concurrent Mark）：与用户线程并发执行，从GC Roots开始遍历对象图，标记存活的对象。
  • 最终标记（Final Mark）：STW，处理并发标记阶段遗留的少量对象，确保标记准确。
  • 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：计算每个Region的存活对象和可回收空间，为混合回收做准备。
• 与Young Collection的配合：在年轻代回收后，通过并发标记确定老年代中哪些Region含有较多垃圾，为后续的混合回收提供依据。

3.6.4 Mixed Collection（混合垃圾回收）

• 回收过程：G1根据筛选回收阶段的统计信息，选择垃圾比例较高的老年代Region，结合新生代Region一起回收。回收时采用复制算法，将存活对象复制到空的Region中，从而清理掉垃圾较多的Region。
• 特点：在控制停顿时间的前提下，逐步回收老年代的垃圾，避免老年代内存碎片化，同时提高整体内存的利用率。

三、强引用、软引用、弱引用、虚引用的区别

3.7.1 强引用（Strong Reference）

• 定义：程序中最常见的引用方式，如Object obj = new Object();，obj就是一个强引用。
• 回收时机：只要强引用存在，垃圾回收器永远不会回收被引用的对象。即使内存不足，JVM也会抛出OutOfMemoryError而不会回收强引用对象。
• 应用场景：大多数普通对象的引用，确保对象在需要时始终存在。

3.7.2 软引用（Soft Reference）

• 定义：通过SoftReference类实现，如SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());。
• 回收时机：当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用所引用的对象。软引用通常用于实现缓存，在内存充足时保留对象，内存紧张时释放以避免OOM。
• 应用场景：图片缓存、网页缓存等，允许在内存不足时释放非关键对象。

3.7.3 弱引用（Weak Reference）

• 定义：通过WeakReference类实现，WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());。
• 回收时机：只要发生垃圾回收，无论内存是否充足，弱引用所引用的对象都会被回收。弱引用的生命周期更短。
• 应用场景：临时对象、对生命周期要求较短的辅助对象，如哈希表中的弱引用键值对，避免内存泄漏。

3.7.4 虚引用（Phantom Reference）

• 定义：通过PhantomReference类实现，且必须配合ReferenceQueue使用，PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), referenceQueue);。

• 回收时机：虚引用随时可能被垃圾回收器回收，它主要用于跟踪对象的垃圾回收状态，而不是实际引用对象。

• 应用场景：对象回收后的资源释放等特殊场景，如直接内存的释放跟踪。

通过对JVM垃圾回收器的全面了解，尤其是G1回收器的深入剖析，以及四种引用类型的详细对比，开发者能更好地理解Java内存管理机制，优化程序性能，避免内存相关的问题，编写出更高效、稳定的Java应用程序。