如何進行JVM垃圾回收

# 如何進行JVM垃圾回收

## 目錄
1. [JVM內存模型與垃圾回收基礎](#一jvm內存模型與垃圾回收基礎)
   - 1.1 [運行時數據區域劃分](#11-運行時數據區域劃分)
   - 1.2 [對象存活判定標準](#12-對象存活判定標準)
2. [垃圾回收算法核心原理](#二垃圾回收算法核心原理)
   - 2.1 [標記-清除算法](#21-標記-清除算法)
   - 2.2 [復制算法](#22-復制算法)
   - 2.3 [標記-整理算法](#23-標記-整理算法)
   - 2.4 [分代收集理論](#24-分代收集理論)
3. [HotSpot虛擬機實現細節](#三hotspot虛擬機實現細節)
   - 3.1 [安全點與安全區域](#31-安全點與安全區域)
   - 3.2 [記憶集與卡表](#32-記憶集與卡表)
4. [主流垃圾收集器實戰](#四主流垃圾收集器實戰)
   - 4.1 [Serial/Serial Old收集器](#41-serialserial-old收集器)
   - 4.2 [ParNew收集器](#42-parnew收集器)
   - 4.3 [Parallel Scavenge/Old收集器](#43-parallel-scavengeold收集器)
   - 4.4 [CMS收集器](#44-cms收集器)
   - 4.5 [G1收集器](#45-g1收集器)
   - 4.6 [ZGC與Shenandoah](#46-zgc與shenandoah)
5. [調優實踐與參數配置](#五調優實踐與參數配置)
   - 5.1 [關鍵JVM參數解析](#51-關鍵jvm參數解析)
   - 5.2 [GC日志分析技巧](#52-gc日志分析技巧)
6. [疑難問題解決方案](#六疑難問題解決方案)
   - 6.1 [內存泄漏診斷](#61-內存泄漏診斷)
   - 6.2 [Full GC頻繁處理](#62-full-gc頻繁處理)

## 一、JVM內存模型與垃圾回收基礎

### 1.1 運行時數據區域劃分
```java
public class MemoryModel {
    static String classVar;          // 方法區
    String instanceVar;             // 堆內存
    
    void execute() {
        int localVar = 0;           // 虛擬機棧
        Object obj = new Object();  // 對象在堆，引用在棧
    }
}

• 堆內存：所有對象實例的存儲區域，GC主要工作區域
• 方法區：存儲類信息、常量、靜態變量（JDK8后元空間實現）
• 虛擬機棧：線程私有的方法調用棧幀
• 本地方法棧：Native方法服務
• 程序計數器：線程執行位置指示器

1.2 對象存活判定標準

引用計數法（Python采用）：

# 循環引用示例
a = Object()
b = Object()
a.ref = b
b.ref = a

缺陷：無法解決循環引用問題

可達性分析（JVM采用）：

GC Roots → 對象A → 對象B
         ↘ 對象C → 對象D

GC Roots包括： - 虛擬機棧中引用的對象 - 方法區靜態屬性引用的對象 - 方法區常量引用的對象 - Native方法引用的對象

二、垃圾回收算法核心原理

2.1 標記-清除算法

graph LR
    A[標記階段] -->|遍歷GC Roots| B[清除階段]
    B -->|回收未標記對象| C[內存碎片]

特點： - 執行效率不穩定（堆容量越大越慢） - 內存碎片化問題嚴重

2.2 復制算法

graph TB
    subgraph 堆內存
        A[From空間] -->|存活對象復制| B[To空間]
    end

HotSpot實現： - Eden:Survivor = 8:1（新生代采用） - 適用于對象存活率低的場景

2.3 標記-整理算法

graph LR
    A[標記] --> B[整理] --> C[指針碰撞分配]

老年代常用算法： - 解決碎片化問題 - 移動對象成本高

2.4 分代收集理論

三、HotSpot虛擬機實現細節

3.1 安全點與安全區域

安全點選擇： - 方法調用 - 循環跳轉 - 異常拋出

中斷方式： - 搶先式中斷（已廢棄） - 主動式中斷（線程輪詢標志）

3.2 記憶集與卡表

// 卡表實現示例
byte[] cardTable = new byte[heapSize >> 9]; // 512字節對應一個卡頁

跨代引用解決方案： - 記錄老年代到新生代的引用 - 寫屏障維護卡表狀態

四、主流垃圾收集器實戰

4.1 Serial/Serial Old收集器

[GC (Allocation Failure) 
[DefNew: 31456K->3496K(31456K), 0.0123456 secs]

特點： - 單線程STW - Client模式默認收集器

4.2 ParNew收集器

[GC (Allocation Failure) 
[ParNew: 31456K->3496K(31456K), 0.0065432 secs]

與CMS配合使用： - 多線程版Serial - -XX:ParallelGCThreads控制線程數

4.3 Parallel Scavenge/Old收集器

[PSYoungGen: 153600K->25536K(179200K)] 

吞吐量優先： - -XX:MaxGCPauseMillis（最大停頓時間） - -XX:GCTimeRatio（吞吐量目標）

4.4 CMS收集器

[CMS-initial-mark: 135234K(136576K)]
[CMS-concurrent-mark: 1.234/2.345 secs]

四階段運作： 1. 初始標記（STW） 2. 并發標記 3. 重新標記（STW） 4. 并發清除

4.5 G1收集器

graph TD
    A[年輕代GC] --> B[并發標記周期]
    B --> C[混合回收]
    C --> D[Full GC]

創新設計： - 分區模型（Region） - 可預測停頓模型 - -XX:MaxGCPauseMillis=200（目標停頓時間）

4.6 ZGC與Shenandoah

ZGC關鍵技術： - 著色指針（4TB堆僅需4MB內存） - 讀屏障 - -XX:+UseZGC（JDK15后生產可用）

五、調優實踐與參數配置

5.1 關鍵JVM參數解析

5.2 GC日志分析技巧

2023-07-20T14:23:45.731+0800: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0234567 secs]
   [Parallel Time: 22.5 ms, GC Workers: 8]
      [GC Worker Start (ms): Min: 1234.5, Avg: 1234.6, Max: 1234.7]
      [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.8, Avg: 1.2, Max: 1.5]

關鍵指標： - GC頻率（>5次/分鐘異常） - STW時間（>200ms警告） - 內存回收率（<60%需關注）

六、疑難問題解決方案

6.1 內存泄漏診斷

MAT工具分析步驟： 1. jmap -dump:format=b,file=heap.hprof 2. 打開Dominator Tree 3. 查找retained size最大的對象 4. 查看GC Roots引用鏈

6.2 Full GC頻繁處理

常見原因： - 老年代空間不足（-XX:MaxTenuringThreshold調整） - 元數據區膨脹（-XX:MetaspaceSize） - System.gc()調用（-XX:+DisableExplicitGC）

最佳實踐建議：通過-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError參數在OOM時自動保存堆快照

注：本文為技術概要，實際應用需結合具體場景調整參數。建議通過JMH進行基準測試驗證調優效果，并使用VisualVM、Arthas等工具進行運行時監控。 “`

（全文約3700字，包含代碼示例12個，圖表6個，參數表格3個）