JVM 内存模型与 GC

GC 是 Java 的核心特性，也是性能调优的关键。理解各种 GC 算法和调优参数，是高级 Java 工程师的必备技能。

GC 基础概念

哪些对象需要回收？

// 可达性分析算法（Reachability Analysis）
// GC Roots 包括：
// 1. 虚拟机栈中引用的对象（局部变量）
// 2. 方法区中静态属性引用的对象
// 3. 方法区中常量引用的对象
// 4. 本地方法栈中 JNI 引用的对象
// 5. JVM 内部引用（基本类型 Class 对象、常驻异常对象等）
// 6. 同步锁持有的对象

// 从 GC Roots 出发，不可达的对象就是"垃圾"
Object a = new Object();  // a 可达
Object b = new Object();  // b 可达
a = null;                 // 原来 a 指向的对象不可达，可被回收

引用类型

import java.lang.ref.*;

// 强引用（Strong Reference）— 不会被 GC 回收
Object strong = new Object();

// 软引用（Soft Reference）— 内存不足时回收，适合缓存
SoftReference<byte[]> soft = new SoftReference<>(new byte[1024 * 1024]);
byte[] data = soft.get();  // 可能为 null

// 弱引用（Weak Reference）— 下次 GC 时回收
WeakReference<Object> weak = new WeakReference<>(new Object());
// WeakHashMap 使用弱引用作为 key

// 虚引用（Phantom Reference）— 无法通过虚引用获取对象，用于跟踪 GC 回收
ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantom = new PhantomReference<>(new Object(), queue);

GC 算法

标记-清除（Mark-Sweep）

优点：简单
缺点：产生内存碎片，清除效率低

标记阶段：从 GC Roots 遍历，标记所有可达对象
清除阶段：回收未标记对象

[已用][已用][空闲][已用][空闲][已用][空闲][空闲]
                  ↓ 清除后
[已用][已用][    ][已用][    ][已用][         ]
                  碎片化！

标记-复制（Mark-Copy）

优点：无碎片，分配效率高
缺点：内存利用率 50%

将内存分为两半，每次只用一半
GC 时将存活对象复制到另一半，清空当前半

年轻代 Eden + Survivor 就是此算法的改进版：
Eden(80%) + S0(10%) + S1(10%)
每次 Minor GC：Eden + S0 → S1（或反向）

标记-整理（Mark-Compact）

优点：无碎片，内存利用率高
缺点：整理阶段需要移动对象，开销大

标记后将存活对象向一端移动，清理边界外的内存
老年代常用此算法

垃圾收集器

Serial GC（串行）

-XX:+UseSerialGC
# 单线程，STW（Stop The World）
# 适合：客户端应用、小内存场景

Parallel GC（并行，Java 8 默认）

-XX:+UseParallelGC
-XX:ParallelGCThreads=4    # GC 线程数
-XX:MaxGCPauseMillis=200   # 最大停顿时间目标
-XX:GCTimeRatio=99         # GC 时间占比目标（1/(1+99)=1%）
# 多线程 GC，吞吐量优先
# 适合：批处理、后台计算

CMS GC（并发标记清除，已废弃）

-XX:+UseConcMarkSweepGC
# 并发执行，低停顿
# 缺点：内存碎片、CPU 占用高、并发模式失败
# Java 9 废弃，Java 14 移除

G1 GC（Java 9+ 默认）

G1 将堆划分为多个等大的 Region（默认 1-32MB）
每个 Region 可以是 Eden/Survivor/Old/Humongous

优势：
- 可预测的停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）
- 无内存碎片（整理）
- 适合大堆（6GB+）

-XX:+UseG1GC                    # Java 9+ 默认
-XX:MaxGCPauseMillis=200        # 停顿时间目标（ms）
-XX:G1HeapRegionSize=16m        # Region 大小
-XX:G1NewSizePercent=5          # 年轻代最小占比
-XX:G1MaxNewSizePercent=60      # 年轻代最大占比
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=85  # 混合 GC 触发阈值

ZGC（Java 15+ 生产可用）

-XX:+UseZGC
# 停顿时间 < 1ms（与堆大小无关）
# 并发标记、并发整理
# 适合：超大堆（TB 级）、低延迟场景
# Java 21 支持分代 ZGC（-XX:+ZGenerational）

Shenandoah GC

-XX:+UseShenandoahGC
# 类似 ZGC，Red Hat 开发
# 并发整理，极低停顿

GC 日志分析

# 开启 GC 日志（Java 9+）
-Xlog:gc*:file=gc.log:time,uptime,level,tags:filecount=5,filesize=20m

# Java 8
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log

# G1 GC 日志示例
[2.345s][info][gc] GC(1) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)
[2.345s][info][gc,heap] GC(1) Eden regions: 24->0(24)
[2.345s][info][gc,heap] GC(1) Survivor regions: 3->3(3)
[2.345s][info][gc,heap] GC(1) Old regions: 10->10
[2.345s][info][gc,heap] GC(1) Humongous regions: 0->0
[2.345s][info][gc,heap] GC(1) Metaspace: 45678K->45678K(1093632K)
[2.345s][info][gc] GC(1) Pause Young (Normal) 312M->52M(512M) 12.345ms
#                                              回收前->回收后(堆大小) 停顿时间

常见 GC 问题

Full GC 频繁

// 原因 1：老年代空间不足
// 解决：增大堆内存，优化对象生命周期

// 原因 2：元空间不足
// 解决：-XX:MaxMetaspaceSize=512m

// 原因 3：System.gc() 被调用
// 解决：-XX:+DisableExplicitGC

// 原因 4：大对象直接进入老年代
// 解决：-XX:PretenureSizeThreshold=3145728（3MB）

内存泄漏排查

# 1. 生成堆转储
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>
# 或 OOM 时自动生成
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/tmp/

# 2. 用 MAT（Memory Analyzer Tool）分析
# 查找 Leak Suspects
# 分析 Dominator Tree
# 找到持有大量内存的对象链

// 常见内存泄漏场景
// 1. 静态集合持有对象引用
static List<Object> cache = new ArrayList<>();
// 解决：使用 WeakReference 或定期清理

// 2. 未关闭的资源
// 解决：try-with-resources
try (Connection conn = dataSource.getConnection()) {
    // 自动关闭
}

// 3. 内部类持有外部类引用
// 解决：使用静态内部类

// 4. ThreadLocal 未清理
ThreadLocal<Object> tl = new ThreadLocal<>();
tl.set(largeObject);
// 解决：使用后调用 tl.remove()

GC 调优实战

# 典型生产配置（Java 17，8核16G）
java \
  -Xms4g -Xmx4g \
  -XX:+UseG1GC \
  -XX:MaxGCPauseMillis=200 \
  -XX:G1HeapRegionSize=16m \
  -XX:MetaspaceSize=256m \
  -XX:MaxMetaspaceSize=512m \
  -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \
  -XX:HeapDumpPath=/app/logs/ \
  -Xlog:gc*:file=/app/logs/gc.log:time,uptime:filecount=5,filesize=20m \
  -jar app.jar

# 低延迟场景（Java 21，ZGC）
java \
  -Xms8g -Xmx8g \
  -XX:+UseZGC \
  -XX:+ZGenerational \
  -XX:MaxGCPauseMillis=10 \
  -jar app.jar

GC 选择指南

场景	推荐 GC
吞吐量优先（批处理）	Parallel GC
通用 Web 服务	G1 GC（默认）
低延迟（< 10ms）	ZGC / Shenandoah
超大堆（> 32GB）	ZGC
Java 21 新项目	ZGC（分代）