JVM 面试必备知识：垃圾回收背后的那些事儿

前言 🌟

嗨，亲爱的 Java 爱好者！是不是觉得垃圾回收（GC）只是一个“看似简单、实际很复杂”的东西？你是不是也曾因为内存溢出而痛苦过，也或许在调优 JVM 时为 GC 频繁而烦恼过？没关系，今天我们就来深度解析 Java 虚拟机（JVM）中的垃圾回收机制，揭开它的神秘面纱，帮助你在面试中轻松应对这类问题！你会发现，GC 其实不仅仅是一个 “自动化清理垃圾” 的小功能，它背后有着极其复杂的算法和精妙的设计，掌握它们可以让你在面试中脱颖而出，成为 JVM 领域的小达人！

垃圾回收不仅仅是为了清理内存中的“垃圾”，它的背后藏着许多性能优化的技巧和策略。Java 语言的开发者，尤其是在大型项目和高性能系统中，必须理解垃圾回收的机制，合理地调优它，才能让系统高效、稳定地运行。废话不多说，咱们现在就开始吧！🚀

1. 什么是垃圾回收（GC）？🧹

我们首先需要了解什么是垃圾回收。简单来说，垃圾回收是 Java 的内存管理机制之一，它能够自动回收不再使用的对象所占用的内存，避免了开发者手动管理内存的麻烦。这就好像是生活中的“清理工”，每天默默无闻地清理你不需要的东西，让你可以专心做自己的事情。

垃圾回收的核心思想是通过不断地检查和回收堆内存中的垃圾对象，从而让系统能够自动管理内存。垃圾回收器会寻找那些不再被任何活动线程引用的对象，并回收它们占用的内存空间。Java 内存分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），而垃圾回收主要关注堆内存。

为什么要有垃圾回收？

想象一下，如果没有垃圾回收，程序中的每个对象都需要由开发者手动释放内存。那该有多麻烦！不仅如此，内存泄漏也成了不可避免的难题。所以，JVM 通过垃圾回收机制，自动管理对象生命周期，极大地降低了开发者的负担。

2. 垃圾回收的基本流程 🌱

垃圾回收的基本流程看似简单，但实际运作时，JVM 需要做很多复杂的事情。通常，垃圾回收分为以下几个阶段：

• 标记阶段（Marking）：垃圾回收器会遍历所有对象，标记出那些当前还被引用的对象。
• 清除阶段（Sweeping）：垃圾回收器会删除那些没有被标记的对象，也就是那些不再被引用的对象。
• 压缩阶段（Compact）：某些回收器（如标记-整理算法）会将存活的对象移到堆的一端，从而避免内存碎片问题。

在这个过程中，堆内存中的对象会经历标记、清除、整理等步骤，确保垃圾对象能够被清理掉，并释放出内存空间。

3. 常见的垃圾回收算法 🧑‍🔧

JVM 提供了多种垃圾回收算法，以应对不同的内存管理需求。每种算法都有不同的特点，选择合适的垃圾回收算法，可以帮助优化程序的性能和响应速度。接下来，我们来了解几种常见的垃圾回收算法。

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）

标记-清除算法是最简单的一种算法，它分为两个阶段：

• 标记阶段：标记所有可达对象，也就是程序中被引用的对象。
• 清除阶段：删除所有没有被标记的对象，释放内存。

标记-清除算法的优点是实现简单，缺点是回收后会产生内存碎片。因为对象被清除后，它们的内存空间没有被整理，导致堆内存中可能会有许多不连续的空闲空间，降低内存使用效率。

2. 标记-整理算法（Mark-Compact）

标记-整理算法与标记-清除算法相似，主要的区别在于清除阶段不同。标记-整理算法不仅会标记并清除垃圾对象，还会将存活的对象压缩到堆的一端，避免内存碎片的产生。

它的缺点是会引入额外的 整理 操作，需要更多的 CPU 时间，但可以更有效地管理内存，避免碎片问题。

3. 复制算法（Copying）

复制算法将堆内存分为两个区域：一个为“当前使用区”，另一个为“空闲区”。每次垃圾回收时，存活的对象会从“当前使用区”复制到“空闲区”。回收完成后，“当前使用区”被完全清空，整个内存交换区域的角色，继续进行下次的垃圾回收。

复制算法的优点是回收速度快，但需要 双倍的内存空间 来存储存活的对象，因此在内存受限的情况下可能不适用。

4. 分代收集算法（Generational Collection）

分代收集算法是目前大多数 JVM 实现采用的策略。它将堆内存分为 年轻代（Young Generation）和 老年代（Old Generation）两个区域。年轻代中包含了 Eden 区 和两个 Survivor 区，新创建的对象首先会在年轻代中分配内存。

• 年轻代：包含新创建的对象，其中大多数对象会很快成为垃圾。
• 老年代：存活时间较长的对象会被移动到老年代。

通过将对象根据年龄分代，JVM 可以采用不同的垃圾回收策略来提高效率：年轻代使用 复制算法，老年代使用 标记-清除算法 或 标记-整理算法。这种策略的最大优势是优化了大部分短生命周期对象的回收效率。

4. 常见的垃圾回收器 🧑‍🔧

JVM 提供了多种垃圾回收器来支持不同的回收需求。每种回收器都有不同的特点，适用于不同的场景。

1. Serial 垃圾回收器

Serial 垃圾回收器是最基本的垃圾回收器，它使用单线程执行垃圾回收。适用于单核 CPU 或内存较小的系统。它的优点是实现简单，但缺点是 停顿时间较长，因为回收过程会暂停所有应用线程。

2. Parallel 垃圾回收器

Parallel 垃圾回收器（也称为吞吐量优先垃圾回收器）使用多个线程来进行垃圾回收，适用于多核 CPU 环境，能够大幅提升垃圾回收的效率。它适用于 吞吐量要求较高 的应用，但缺点是停顿时间相对较长，适用于可以容忍一定停顿的场景。

3. CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器

CMS 是为了减少停顿时间而设计的垃圾回收器，它采用并发回收的方式，在垃圾回收过程中尽量不阻塞应用线程。适用于需要低延迟的场景。虽然 CMS 能够减少停顿时间，但也带来了一些内存碎片的问题，且在多核机器上性能可能不稳定。

4. G1（Garbage First）垃圾回收器

G1 是一个新型垃圾回收器，旨在兼顾低停顿和高吞吐量。G1 将堆内存分为多个小区域（Region），并通过分阶段回收来最大化垃圾回收效率。G1 比 CMS 更加灵活且可控，适用于 大内存、低延迟的系统。

5. 如何优化垃圾回收？ 🚀

虽然 JVM 自动执行垃圾回收，但开发者仍然可以通过一些策略来优化 GC 的性能。比如：

• 调整堆大小：合理设置年轻代和老年代的内存大小，避免频繁进行垃圾回收。
• 选择合适的垃圾回收器：根据应用场景选择合适的回收器。如果需要低延迟，选择 CMS 或 G1；如果吞吐量更重要，可以选择 Parallel。
• 优化对象创建与销毁：减少对象的创建和销毁频率，避免不必要的垃圾回收。

当然！为了帮助你更好地理解垃圾回收的机制，我们来通过一些具体的代码示例，展示垃圾回收的工作原理和垃圾回收器的使用。

6. 示例演示 🚀

1. GC基础示例：显示垃圾回收信息 🧹

在这个示例中，我们将启用 JVM 的垃圾回收日志，通过代码来触发垃圾回收，并观察输出的垃圾回收信息。

示例代码：

public class GCDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 启用垃圾回收日志
        System.out.println("JVM将会在终端输出垃圾回收日志");
        System.gc();  // 显式调用垃圾回收

        // 创建一些对象来触发垃圾回收
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            new Person("Person " + i);
        }

        // 手动触发垃圾回收
        System.gc();
    }
}

class Person {
    String name;

    Person(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("对象 " + name + " 被回收了！");
    }
}

解释：

1. System.gc() 是一个显式的垃圾回收调用，它建议 JVM 执行垃圾回收。
2. 我们创建了大量 Person 对象，然后手动触发垃圾回收。每个 Person 对象在不再被引用时都会被回收，调用 finalize() 方法，输出“对象被回收”的信息。
3. finalize() 方法是 JVM 回收对象时调用的一个钩子方法，可以用来做一些清理工作。这个方法并不总是被及时调用，但它会在垃圾回收器回收对象前被执行。

运行输出示例：

JVM将会在终端输出垃圾回收日志
对象 Person 12345 被回收了！
对象 Person 12346 被回收了！
...

2. 设置垃圾回收器：使用 G1 垃圾回收器 🧑‍🔧

JVM 提供了多个垃圾回收器，例如 G1 回收器、Parallel 回收器等。在运行程序时，你可以通过 JVM 参数来指定使用的垃圾回收器。下面的示例展示了如何在命令行中启用 G1 垃圾回收器。

启动 G1 垃圾回收器：

java -XX:+UseG1GC -Xmx1g -Xms512m GCDemo

参数解释：

• -XX:+UseG1GC：指定使用 G1 垃圾回收器。
• -Xmx1g：设置最大堆内存为 1GB。
• -Xms512m：设置初始堆内存为 512MB。

G1 垃圾回收器的输出：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1024K->512K(2048K)] 1024K->256K(4096K), 0.0012345 secs]

解释：

• GC：标记垃圾回收发生了。
• PSYoungGen：表示年轻代的回收。
• 1024K->512K：表示年轻代的大小从 1024K 减少到 512K。
• 0.0012345 secs：回收花费的时间。

通过这种方式，你可以启用不同的垃圾回收器并查看其日志，帮助你了解垃圾回收的过程和效率。

3. 演示堆的分代回收 🏞️

在垃圾回收过程中，JVM 会根据对象的年龄将其划分到不同的内存区域（年轻代、老年代）。下面是一个简单的示例，演示年轻代与老年代之间的对象晋升和回收。

示例代码：

public class GenerationalGC {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建大量短生命周期对象
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            new TempObject();
        }

        // 创建一个长生命周期的对象，进入老年代
        TempObject longLivingObject = new TempObject();
        
        // 触发垃圾回收
        System.gc();
    }
}

class TempObject {
    private static final int SIZE = 10000;
    private byte[] memory = new byte[SIZE];

    TempObject() {
        // 构造器什么都不做
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("对象被回收");
    }
}

代码说明：

1. TempObject 是我们用来测试的类，它创建了一个包含 SIZE 大小的字节数组 memory，模拟占用内存的情况。
2. 在 main 方法中，我们创建了 100000 个 TempObject 实例，模拟短生命周期对象的创建。
3. 然后创建了一个 longLivingObject，这个对象会存活较长时间，应该被晋升到老年代。
4. System.gc() 用于显式地触发垃圾回收。

输出示例：

对象被回收
对象被回收
...

解释：

• 大量短生命周期的对象会被回收，垃圾回收器将它们从年轻代清理掉。
• 长生命周期的对象则会从年轻代晋升到老年代，最终在老年代被回收。

4. 自定义垃圾回收行为：finalize() 🧹

finalize() 方法是 Java 中的一个钩子方法，当垃圾回收器准备回收对象时，finalize() 方法会被调用。在实际应用中，不建议依赖 finalize() 方法来进行资源清理，因为垃圾回收并不是及时发生的，可能会造成延迟。

示例代码：

public class FinalizeDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个对象并让它离开作用域
        FinalizeDemo fd = new FinalizeDemo();
        fd = null;

        // 手动触发垃圾回收
        System.gc();
        
        // 给垃圾回收器一些时间来执行 finalize()
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("Finalize 方法被调用，垃圾回收器将回收该对象！");
    }
}

解释：

• 我们通过将 fd 设置为 null 来让对象变得不可达。
• 然后通过 System.gc() 显式触发垃圾回收，垃圾回收器会在回收该对象前调用 finalize() 方法。

输出示例：

Finalize 方法被调用，垃圾回收器将回收该对象！

7. 总结 📚

垃圾回收是 Java 生态中非常重要的机制，它帮助我们自动管理内存，减少了开发者的负担，但同时也带来了一些性能上的挑战。理解垃圾回收的工作原理，以及如何选择和优化垃圾回收策略，是每个 Java 开发者的必修课。希望这篇文章能够帮助你更好地理解和掌握垃圾回收相关的知识！掌握了 GC，你就能更好地应对 Java 面试中的 GC 问题，提升你的编程技能和面试竞争力！加油哦，GC 的世界比你想象的更精彩！🎉

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