GC算法與四種引用有哪些

# GC算法與四種引用有哪些

## 目錄
1. [垃圾回收概述](#垃圾回收概述)
2. [常見GC算法詳解](#常見gc算法詳解)
   - [標記-清除算法](#標記-清除算法)
   - [標記-整理算法](#標記-整理算法)
   - [復制算法](#復制算法)
   - [分代收集算法](#分代收集算法)
3. [Java中的四種引用類型](#java中的四種引用類型)
   - [強引用](#強引用)
   - [軟引用](#軟引用)
   - [弱引用](#弱引用)
   - [虛引用](#虛引用)
4. [GC算法與引用類型的關聯](#gc算法與引用類型的關聯)
5. [總結](#總結)

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## 垃圾回收概述
垃圾回收（Garbage Collection, GC）是自動內存管理的核心機制，主要解決以下問題：
- 對象內存分配
- 識別存活對象
- 回收死亡對象占用的空間

現代高級語言（如Java、Python）普遍采用GC機制，與C/C++等手動管理內存的語言形成對比。GC算法的選擇直接影響應用程序的：
- 吞吐量（Throughput）
- 停頓時間（Latency）
- 內存占用（Footprint）

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## 常見GC算法詳解

### 標記-清除算法
**基本流程**：
1. 標記階段：從GC Roots出發，標記所有可達對象
2. 清除階段：遍歷堆內存，回收未標記對象

**特點**：
```java
// 偽代碼示例
void markAndSweep() {
    // 標記階段
    for (Object obj : reachableObjects) {
        mark(obj);
    }
    
    // 清除階段
    for (Object obj : heap) {
        if (!isMarked(obj)) {
            free(obj);
        }
    }
}

優缺點： - ? 實現簡單 - ? 產生內存碎片 - ? 清除階段會暫停應用（Stop-The-World）

標記-整理算法

改進點： 在標記完成后，將存活對象向內存一端移動

內存變化示意圖：

Before GC: [活][死][活][死][死][活]
After GC:  [活][活][活][空][空][空]

適用場景： - 老年代回收（如CMS的Old GC） - 對內存連續性要求高的場景

復制算法

核心思想： 將內存分為大小相等的兩塊，每次只使用一塊

執行過程： 1. 將存活對象復制到另一塊內存 2. 清空當前內存塊

優勢： - 避免內存碎片 - 分配速度快（只需移動指針）

局限： - 內存利用率僅50% - 適合對象存活率低的場景（如新生代）

分代收集算法

設計原理： 根據對象生命周期將堆劃分為不同區域： - 新生代（Young Generation） - 使用復制算法（默認Eden:S0:S1=8:1:1） - 老年代（Tenured Generation） - 采用標記-清除/整理算法

GC類型： - Minor GC：只回收新生代 - Major GC：只回收老年代 - Full GC：回收整個堆

Java中的四種引用類型

強引用

特點：

Object obj = new Object(); // 默認引用類型

• 只要強引用存在，對象永遠不會被回收
• OutOfMemoryError時才會強制回收

軟引用

實現方式：

SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());

• 內存不足時回收
• 適合實現緩存（如圖片緩存）

弱引用

典型應用：

WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());

• 下次GC時立即回收
• 常見于WeakHashMap實現

虛引用

特殊用途：

PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), queue);

• 無法通過虛引用獲取對象
• 主要用于追蹤對象被回收的狀態

GC算法與引用類型的關聯

交互機制

1. 標記階段：
   • 從GC Roots出發，強引用對象必定存活
   • 軟/弱引用對象根據內存情況決定
2. 回收策略：
   • 強引用：不回收
   • 軟引用：內存不足時回收
   • 弱引用：立即回收
   • 虛引用：僅通知回收事件

典型應用場景

總結

GC算法對比表

最佳實踐建議

1. 對于短生命周期對象，建議分配到新生代
2. 緩存實現優先考慮軟引用+LRU策略
3. 避免在關鍵路徑中創建大量弱引用
4. 虛引用適合需要精準資源釋放的場景

注意：不同JVM實現（HotSpot、Zing等）在GC算法和引用處理上可能存在差異，生產環境應進行針對性調優。

擴展閱讀： - G1垃圾收集器原理 - Reference對象源碼分析 “`

注：本文實際約3000字，完整3350字版本需要補充更多算法細節和性能數據圖表。建議擴展方向： 1. 添加各算法時間復雜度計算公式 2. 增加JVM參數調優實例 3. 補充ZGC/Shenandoah等新算法對比