高级java每日一道面试题-2024年10月29日-JVM篇-简述分代垃圾回收器是怎么工作的?

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面试官: 简述分代垃圾回收器是怎么工作的?

我回答:

在Java高级面试中，分代垃圾回收器的工作原理是一个重要的考点。下面将详细解释分代垃圾回收器是如何工作的：

分代垃圾回收器的基本概念

分代垃圾回收器是一种基于对象生命周期的垃圾回收方法。它将Java堆内存划分为不同的区域（或称为“代”），通常分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。这种策略背后的理念是，不同年代的对象有不同的生命周期特征，因此可以用不同的垃圾回收算法来管理它们。

分代垃圾回收器的具体划分

1. 新生代（Young Generation）：

   • 新创建的对象通常分配在这里。
   • 新生代又细分为 Eden 区和两个 Survivor 区（通常称为 S0 和 S1）。
   • 大部分对象的生命周期较短，很快就会变得不可达，因此新生代会频繁地进行垃圾回收（Minor GC）。
   • 大多数对象在新生代中很快就会死亡（即不再被引用）。

2. 老年代（Old Generation）：

   • 经过多次垃圾回收后仍然存活的对象会被移动到这里。
   • 这些对象的生命周期较长，垃圾回收发生的频率较低（Major GC或Full GC）。
   • 老年代中的对象通常生命周期较长。

3. 永久代/元空间（Permanent Generation/Metaspace）：

   • 存储类的元数据信息，如类的结构、方法、字段等。
   • 在 Java 8 以后，永久代被元空间取代，元空间使用的是本地内存而不是堆内存。

分代垃圾回收器的算法

1. 新生代算法：

   • 主要采用复制算法。每次垃圾回收时，将Eden区和一个Survivor区的存活对象复制到另一个Survivor区，然后清空Eden区和被复制的Survivor区。这种算法的优点是简单高效，可以避免内存碎片的产生。

2. 老年代算法：

   • 主要采用标记-清除算法或标记-整理算法。标记阶段，垃圾回收器从根对象开始遍历程序的对象图，将所有可达的对象进行标记。清除阶段，垃圾回收器对堆内存进行遍历，将未标记的对象视为垃圾并回收，释放内存空间。标记-整理算法在清除阶段还会将所有存活对象向一端移动，然后清理边界之外的内存，以提供更大的连续内存空间并减少碎片化问题。

分代垃圾回收器的工作流程

1. 新生代垃圾回收（Minor GC）

• Eden 区：新创建的对象首先被分配到 Eden 区。
• Survivor 区：经过 Minor GC 后，仍然存活的对象会被移动到一个 Survivor 区（假设是 S0）。
• 复制算法：Minor GC 通常采用复制算法，即将 Eden 区和一个 Survivor 区（假设是 S0）中的存活对象复制到另一个 Survivor 区（假设是 S1），然后清空 Eden 区和 S0。
• 年龄阈值：每次 Minor GC 后，对象的年龄会增加 1。当对象的年龄达到一定阈值（默认是 15）时，对象会被晋升到老年代。

2. 老年代垃圾回收（Major GC/Full GC）

• 标记-清除算法：老年代通常采用标记-清除算法或标记-整理算法。
  • 标记-清除算法：首先标记出所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
  • 标记-整理算法：在标记-清除的基础上，对存活对象进行整理，消除内存碎片。
• 触发条件：
  • 老年代空间不足。
  • 显式调用 System.gc()（不推荐）。
  • 某些 Minor GC 之后，存活对象过多，无法放入 Survivor 区，直接进入老年代。

3. 永久代/元空间垃圾回收

• 永久代（Java 8 以前）：存储类的元数据信息，通常在 Full GC 时进行垃圾回收。
• 元空间（Java 8 及以后）：存储类的元数据信息，使用本地内存，通常在 Full GC 时进行垃圾回收。

分代垃圾回收器的优势

1. 提高垃圾回收效率：通过分代管理，垃圾回收器可以集中处理那些最有可能包含垃圾的区域（如新生代），从而减少不必要的遍历和回收操作。

2. 优化应用程序性能：新生代的垃圾回收比老年代频繁，但占用的内存较小，因此Minor GC的停顿时间比Full GC短，这有助于提高应用程序的响应性。

3. 动态调整策略：分代回收允许JVM根据对象的生命周期特征进行更好的空间分配和垃圾回收策略调整，如调整Eden区和Survivor区的比例，或者根据对象的老化情况动态地将对象从新生代晋升到老年代。

Java中的垃圾回收器

除了分代垃圾回收策略外，Java还提供了多种垃圾回收器来实现这一策略，包括：

1. Serial GC：

   • 单线程垃圾回收器，适用于单核 CPU 和小内存应用。
   • 新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

2. Parallel GC（也称 Throughput GC）：

   • 多线程垃圾回收器，适用于多核 CPU 和大内存应用。
   • 新生代和老年代都使用多线程进行垃圾回收。
   • 新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

3. CMS (Concurrent Mark Sweep) GC：

   • 并发垃圾回收器，旨在减少垃圾回收的停顿时间。
   • 新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除算法。
   • 老年代的垃圾回收过程分为多个阶段，部分阶段可以与应用程序并发执行。

4. G1 (Garbage First) GC：

   • 适用于大内存多核环境，旨在提供高吞吐量和低停顿时间。
   • 将堆内存划分为多个大小相等的区域（Region）。
   • 采用混合算法，结合了复制算法和标记-整理算法。
   • 优先回收垃圾最多的区域，以达到高效率。

5. ZGC (Z Garbage Collector)（Java 11 引入）：

   • 适用于超大内存应用，旨在提供极低的停顿时间（小于 10ms）。
   • 采用着色指针和读屏障技术，支持并发垃圾回收。
   • 适用于数 TB 的堆内存。

6. Shenandoah GC（Java 12 引入）：

   • 类似 ZGC，旨在提供低停顿时间。
   • 采用读屏障和写屏障技术，支持并发垃圾回收。
   • 适用于大内存应用。

总结

分代垃圾回收器通过将堆内存分为新生代和老年代，并针对不同代的特点采用不同的垃圾回收算法，从而优化垃圾回收的性能。不同的垃圾回收器适用于不同的应用场景，开发者可以根据应用的需求选择合适的垃圾回收器。理解垃圾回收器的工作原理有助于优化 Java 应用的性能和稳定性。