Java 垃圾回收機制

在 Java 程序執行時，垃圾回收機制可以自動掃描並清理不再使用的對象，防止內存泄漏和內存溢出問題的發生。本文將從垃圾回收演算法、並發度、內存分區、對象生命周期等多個方面對 Java 的垃圾回收機制進行詳細的闡述。

一、垃圾回收演算法

Java 支持多種不同的垃圾回收演算法，每種演算法都有其適用的場景和優劣勢。

標記-清除演算法

標記-清除演算法是 Java 最早使用的垃圾回收演算法。其主要思想是：先標記出所有需要回收的對象，然後統一進行回收操作。這個演算法的優點是實現簡單；但缺點也很明顯，容易產生內存碎片。

複製演算法

複製演算法將內存分為兩個區域（一般是等分），一部分為存活對象區域，另一部分為未使用區域。在垃圾回收時，先掃描存活對象區域並按照順序複製到另一個未使用區域中，然後交換兩個區域的角色。這個演算法的優點是複製過程中不會產生內存碎片，而且實現起來也比較簡單；但缺點是內存利用率較低，只有一半的內存可以使用，因此不適用於大內存使用的場景。

標記-整理演算法

標記-整理演算法是一種綜合了標記-清除演算法和複製演算法的垃圾回收演算法。其主要思想是：先標記出所有需要回收的對象，然後將所有存活的對象壓縮到內存的一端，然後統一將另一端的內存清理掉。這個演算法的優點是可以克服標記-清除演算法的內存碎片問題；但缺點是實現起來比較複雜。

二、並發度

Java 的垃圾回收機制可以根據具體的場景進行不同程度的並發處理。

串列垃圾回收

串列垃圾回收是最基本、最簡單的垃圾回收方式。其實現方式是單線程執行垃圾回收操作，期間程序會停止運行。這個演算法的優點是實現簡單，適用於小型應用；但缺點是回收效率低下。

並行垃圾回收

並行垃圾回收是指在多個線程中同時執行垃圾回收操作，期間程序不會停止運行。這個演算法的優點是回收效率高；但缺點是需要消耗更多的系統資源。

並發垃圾回收

並發垃圾回收是指在程序運行期間，垃圾回收器和應用程序線程同時運行（並發執行），程序不會被中斷。這個演算法的優點是不影響程序的響應時間；但缺點是需要實現垃圾回收器和應用程序之間的協作，實現起來比較複雜。

三、內存分區

Java 的內存主要分為新生代（Eden、Survivor1、Survivor2）和老年代，可以根據不同的垃圾回收演算法和內存分區設置，進一步優化垃圾回收效率。

新生代

新生代（Young Generation）分為 Eden 區域和 Survivor 區域。Java 中對象大多數都是朝生夕死的，因此在新生代採用複製演算法進行垃圾回收。即將 Eden 區域中已經死亡的對象清除後，將存活的對象轉移到 Survivor 區域。Survivor 區域在一定時間內會將存活的對象轉移到另一個 Survivor 區域，最終也會轉移到老年代。

老年代

老年代（Old Generation）中的對象生命周期較長，因此使用標記-整理演算法進行垃圾回收。在老年代進行垃圾回收會帶來一定的停頓時間，因此在最優情況下，應盡量將對象保存在新生代中。

四、對象生命周期

Java 中的對象生命周期有以下幾個階段：

新建階段

對象被創建時進入新建階段，此時對象還未被分配內存。

public class Example {
    public static void main(String[] args) {
        Example e = new Example(); // 對象創建階段
    }
}

可達性

對象進入可達性階段，意味著至少存在一個引用指向該對象，該對象不會被垃圾回收。

public class Example {
    public static void main(String[] args) {
        Example e = new Example(); // 對象創建及可達性階段
        Example e2 = e; // 可達性階段
    }
}

不可達性

對象從可達性狀態進入不可達性狀態，即沒有引用指向該對象。該對象可以被垃圾回收器回收。

public class Example {
    public static void main(String[] args) {
        Example e = new Example(); // 對象創建及可達性階段
        Example e2 = e; // 可達性階段
        e = null; // 不可達性階段
    }
}

回收銷毀

對象從不可達性狀態進入回收銷毀狀態，此時垃圾回收器會清理對象所佔用的內存空間。

public class Example {
    public static void main(String[] args) {
        Example e = new Example(); // 對象創建及可達性階段
        Example e2 = e; // 可達性階段
        e = null; // 不可達性階段
        e2 = null; // 回收銷毀階段
    }
}

總結

Java 的垃圾回收機制是自動完成的，其背後的數學模型和演算法非常複雜，但大多數情況下可以直接使用語言提供的自動內存管理。對於特殊場景，我們可以通過手動調整垃圾回收機制的使用規則來進一步優化系統性能。