第四章：垃圾收集（GC）原理 —— JVM 如何自动回收垃圾？
本章目标：
- 理解 GC 的本质
- 掌握对象何时变成垃圾
- 理解 GC Root 与可达性分析
- 掌握 JVM 常见垃圾回收算法
- 理解 Minor GC、Major GC、Full GC
- 为后续 G1、ZGC、JVM调优打下基础
一、为什么需要 GC？
如果你学过 C/C++：
User* user = new User();
delete user;
程序员必须手动释放内存。
如果忘记：
User* user = new User();
没有：
delete user;
就会产生：
Memory Leak（内存泄漏）
Java 采用：
Automatic Garbage Collection
自动垃圾回收
开发者只负责：
new User();
JVM负责：
发现垃圾
回收垃圾
整理内存
二、什么是垃圾？
很多人误以为：
User user = new User();
对象创建后就是垃圾。
显然不是。
垃圾的定义：
无法再被程序访问的对象
例如：
User user = new User();
user = null;
此时：
User对象
已经没有任何引用。
变成：
垃圾对象
等待GC回收。
三、如何判断对象是垃圾？
这是GC最核心的问题。
JVM历史上主要有两种方案：
引用计数法
可达性分析法
四、引用计数法（Reference Counting）
原理非常简单。
对象维护一个计数器：
被引用一次 +1
引用失效 -1
例如：
User user = new User();
User对象
引用数 = 1
再来：
User user2 = user;
User对象
引用数 = 2
如果：
user = null;
引用数 = 1
再执行：
user2 = null;
引用数 = 0
GC回收。
五、为什么 JVM 不采用引用计数？
因为无法解决循环引用。
例如：
class A {
B b;
}
class B {
A a;
}
创建对象：
A a = new A();
B b = new B();
a.b = b;
b.a = a;
结构：
A ---> B
↑ ↓
└─────┘
然后：
a = null;
b = null;
程序已经访问不到：
A对象
B对象
但是：
A引用B
B引用A
引用数仍然：
A = 1
B = 1
永远不会回收。
因此：
Java
Go
C#
HotSpot JVM
全部采用：
可达性分析
六、可达性分析（Reachability Analysis）
这是现代 JVM 的核心算法。
基本思想：
从一组根对象开始搜索。
如果对象能够到达：
存活
如果无法到达：
垃圾
图示：
GC Root
│
▼
ObjectA
│
▼
ObjectB
│
▼
ObjectC
全部存活。
如果：
GC Root
ObjectD
│
▼
ObjectE
与 Root 完全断开：
ObjectD
ObjectE
变成垃圾。
七、什么是 GC Root？
GC Root：
垃圾回收的起点
常见GC Root：
1、栈中的引用
public void test() {
User user = new User();
}
栈：
Stack
└── user
堆：
Heap
└── User对象
user就是GC Root链路的一部分。
2、静态变量
public class UserService {
static User user = new User();
}
静态变量属于类。
类属于方法区。
始终可达。
3、常量引用
private static final User USER =
new User();
也是GC Root。
4、本地方法引用
native method
引用的对象。
八、对象一定会立刻回收吗？
不会。
很多人误解：
user = null;
对象立即消失。
实际上：
仅仅失去引用
真正回收时机：
GC触发时
例如：
user = null;
//对象暂时还在
直到：
Minor GC
Major GC
Full GC
执行。
九、对象死亡流程
对象不是第一次发现不可达就马上回收。
第一次GC：
发现不可达
进入：
待回收区
如果对象重写：
@Override
protected void finalize() {
}
JVM会给一次机会。
例如：
@Override
protected void finalize() {
SAVE_HOOK = this;
}
对象复活。
所以：
第一次不可达
≠
立即死亡
注意：
从 JDK9 开始：
finalize()
已废弃
不要使用。
十、Java 引用类型
很多开发者只知道：
User user;
实际上 JVM 有四种引用。
十一、强引用（Strong Reference）
最常见。
User user = new User();
特点：
只要强引用存在
GC绝不会回收
即使：
OOM
也不会优先回收。
十二、软引用（Soft Reference）
SoftReference<User>
特点：
内存充足
不回收
内存不足
回收
适合：
缓存
图片缓存
十三、弱引用（Weak Reference）
WeakReference<User>
特点：
只要GC发生
立即回收
无论内存是否充足。
例如：
WeakHashMap
底层就大量使用。
十四、虚引用（Phantom Reference）
最弱引用。
PhantomReference
特点：
无法获取对象
仅用于跟踪回收
主要用于：
直接内存回收
NIO
Netty
十五、GC 核心算法
确定垃圾后：
如何回收？
就是GC算法。
主要有：
标记-清除
复制
标记-整理
分代收集
十六、标记-清除（Mark-Sweep）
第一步：
标记垃圾
第二步：
直接删除
示意：
GC前：
[ A ][ B ][ C ][ D ]
B、D死亡：
[ A ][ X ][ C ][ X ]
优点：
实现简单
缺点：
内存碎片严重
结果：
[ A ][空][ C ][空]
十七、复制算法（Copying）
年轻代核心算法。
内存分两块：
From区
To区
GC前：
From
[A][B][C][D]
B、D死亡。
GC后：
To
[A][C]
直接复制。
优点：
无碎片
速度快
缺点：
浪费一半空间
十八、标记-整理（Mark-Compact）
老年代经典算法。
GC前：
[A][X][C][X][E]
整理后：
[A][C][E]
连续排列。
优点：
没有碎片
缺点：
移动对象成本高
十九、为什么 JVM 要分代？
HotSpot发现：
98%以上对象
朝生夕死
例如：
new String();
new UserDTO();
new HashMap();
方法结束就没了。
少数对象：
缓存
连接池
Spring Bean
长期存活。
因此：
年轻代
老年代
分开管理。
二十、堆内存结构
JDK8经典结构：
Heap
┌─────────────────┐
│ Young │
├─────────────────┤
│ Old │
└─────────────────┘
年轻代：
Eden
Survivor0
Survivor1
结构：
Young
┌─────────────┐
│ Eden │
├──────┬──────┤
│ S0 │ S1 │
└──────┴──────┘
二十一、对象晋升过程
对象创建：
Eden
第一次GC：
Eden
↓
S0
第二次GC：
S0
↓
S1
年龄增加：
Age = 2
达到阈值：
15次
(默认)
进入：
Old Gen
二十二、Minor GC、Major GC、Full GC
面试必问。
Minor GC
回收：
Young Gen
特点：
频繁
速度快
STW时间短
Major GC
回收：
Old Gen
特点：
速度慢
耗时长
Full GC
回收：
Young
+
Old
+
Metaspace
特点：
最慢
影响最大
线上最怕：
频繁Full GC
二十三、什么是 STW（Stop The World）？
GC过程中：
暂停所有用户线程
例如：
用户请求
订单支付
接口调用
全部暂停。
这就是：
Stop The World
简称：
STW
GC优化目标：
减少STW时间
这也是：
CMS
G1
ZGC
Shenandoah
出现的原因。
二十四、线上最常见 GC 问题
问题1
频繁Minor GC
原因：
年轻代太小
对象创建过多
问题2
频繁Full GC
原因：
老年代不足
内存泄漏
问题3
OOM
原因：
对象无法回收
例如：
static List<User> cache =
new ArrayList<>();
无限增长。
二十五、面试高频题
为什么 JVM 不采用引用计数？
因为无法解决：
循环引用
GC Root 有哪些？
栈变量
静态变量
常量
Native引用
Minor GC 和 Full GC 区别？
Minor GC
回收年轻代
Full GC
回收整个堆
为什么年轻代采用复制算法？
因为：
对象存活率低
复制成本小。
为什么老年代采用标记整理？
因为：
对象存活率高
不能频繁复制。
本章总结
牢记下面这张图：
GC Root
│
可达性分析（Reachability）
│
┌───────────┴───────────┐
│ │
存活对象 垃圾对象
│ │
▼ ▼
保留 GC回收算法
│
┌──────────┬──────────┬──────────┐
│ │ │
标记清除 复制算法 标记整理
│
▼
分代收集思想
│
┌─────────────────────────┐
│ Young Gen → Old Gen │
└─────────────────────────┘
掌握这一章，你已经具备了理解 JVM 内存回收机制的核心基础。
下一章《JVM 垃圾收集器详解（Serial、Parallel、CMS、G1、ZGC）》将深入分析：
- 为什么 CMS 被淘汰？
- G1 为什么成为 JDK 默认 GC？
- ZGC 如何做到毫秒级停顿？
- 生产环境应该如何选择垃圾收集器？
这一章也是高级开发、架构师和 JVM 调优的核心知识。
