深入剖析JVM垃圾回收机制

### 一、垃圾回收的意义

在C++中，内存管理是程序员的责任，对象所占的内存在程序结束前一直被占用，直到明确释放。而在Java中，当没有任何对象引用指向某个对象时，该对象所占的内存便成为垃圾。JVM会自动启动一个系统级线程来释放这些内存块。垃圾回收不仅回收无用的对象，还能整理堆内存，防止碎片化。这一特性显著提高了编程效率，减少了存储器问题的复杂度，并增强了程序的安全性。

然而，垃圾回收也并非没有缺点。它需要消耗处理器时间来追踪和释放无用对象，某些早期算法甚至无法100%回收所有废弃内存。不过，随着技术进步，这些问题已逐步得到解决。

### 二、对象存活判定

Java堆中几乎所有的对象实例都存放在这里。垃圾收集器在回收之前，必须先确定哪些对象已经不再被使用。主要采用两种算法进行判定：

1. **引用计数法**
- 每个对象都有一个引用计数器，每当有新的引用指向该对象时，计数器加1；反之减1。当计数为0时，表示该对象可以被回收。
- 缺点在于无法处理循环引用的情况，即多个对象互相持有对方的引用但没有外部引用指向它们。

2. **根搜索算法（GC Roots Tracing）**
- 从一组称为“GC Roots”的对象开始，沿着引用链向下搜索。如果一个对象到GC Roots没有任何路径相连，则认为该对象是不可达的，可被回收。
- 常见的GC Roots包括栈帧中的局部变量、静态字段等。

### 三、引用类型的分类

Java中有四种不同强度的引用类型，按强度递减排序为强引用、软引用、弱引用和虚引用。

1. **强引用**
- 最常见的引用形式，如`Object obj = new Object()`。只要存在强引用，垃圾回收器就不会回收该对象，即使内存不足也会抛出异常而非回收对象。
- 设置`obj = null`可以显式地让对象变为可回收状态。

2. **软引用**
- 适用于缓存场景，当内存充足时不回收，内存不足时优先回收这类对象。
- 可用于实现内存敏感的缓存机制，例如Android应用中的图片缓存。

3. **弱引用**
- 不影响对象的生命周期，一旦发生垃圾回收，弱引用关联的对象会被立即回收。

4. **虚引用**
- 主要用于跟踪对象的销毁过程，不会影响对象的生命周期，通常与引用队列一起使用。

### 四、垃圾收集算法

1. **标记-清除算法**
- 分为标记和清除两个阶段，先标记所有需要回收的对象，再统一清理。
- 缺点是效率低且容易产生大量内存碎片。

2. **复制算法**
- 将内存分为两部分，每次只使用一半，回收时将存活对象复制到另一半。
- 适合短生命周期对象，但频繁复制长生命周期对象会导致效率下降。

3. **标记-整理算法**
- 类似于标记-清除，但在回收后将存活对象移至一端，避免了碎片问题。

4. **分代收集算法**
- 根据对象的存活时间将堆分为新生代和老年代，分别采用不同的收集策略。

### 五、垃圾收集器

HotSpot JVM提供了多种垃圾收集器，每种收集器针对不同的应用场景进行了优化。

1. **Serial收集器**
- 单线程收集器，适用于单CPU环境，简单高效。

2. **ParNew收集器**
- 多线程版本的Serial收集器，适合多CPU环境。

3. **Parallel Scavenge收集器**
- 注重吞吐量的收集器，适用于后台任务。

4. **Serial Old收集器**
- 单线程的老年代收集器，主要用于Client模式或作为CMS的后备方案。

5. **Parallel Old收集器**
- 多线程的老年代收集器，提高并发性能。

6. **CMS收集器**
- 以最短停顿时间为目标，适合交互式应用。

7. **G1收集器**
- 新一代收集器，支持并行与并发操作，减少停顿时间，适用于大规模服务端应用。