一、为什么需要垃圾回收（GC）
- Java 程序运行过程中会不断创建对象，堆内存有限。
- 无法被引用的对象占用空间，如果不释放，会导致 内存泄漏或内存溢出（OOM）。
- 手动管理内存易出错，Java 引入自动垃圾回收机制。
二、JVM 中的内存区域（重点）
| 区域 | 说明 |
|---|---|
| 程序计数器 | 每个线程私有，记录字节码执行位置 |
| 虚拟机栈 | 每个线程私有，保存局部变量表 |
| 本地方法栈 | 调用 native 方法时使用 |
| 堆（Heap） | 所有线程共享，垃圾收集的主要区域，保存对象实例 |
| 方法区（元空间） | 保存类信息、常量、静态变量等 |
三、如何判断对象是否可以被回收？
引用计数法（Reference Counting）
- 每个对象维护一个引用计数器；
- 计数为 0 → 可回收；
- 缺陷：无法处理循环引用。
可达性分析法（Reachability Analysis）（Java 使用）
从 GC Root 出发向外遍历：
- 方法区静态变量
- 方法栈局部变量
- JNI 引用
如果一个对象无法从 GC Root 访问到，则被判定为不可达 → 可回收对象。
四、对象的生命周期与回收区域
| 区域 | 描述 |
|---|---|
| 新生代（Young Generation） | 包括 Eden + 两个 Survivor 区域（S0、S1） |
| 老年代（Old Generation） | 存放长时间存活的对象 |
| 元空间（Metaspace） | Java 8 后替代永久代，存类元数据 |
五、常见垃圾回收算法
复制算法（Copying）
应用于新生代；
将 Eden 中的存活对象复制到 Survivor 区；
一般为 Eden + From（S0）+ To（S1）：
- 每次使用其中两个，另一个为空；
优点：没有碎片，效率高；
缺点：内存浪费严重（只用了一半）。
标记-清除算法（Mark-Sweep）
应用于老年代；
第一步：标记可达对象；
第二步：清除未被标记对象；
缺点：
- 产生内存碎片；
- 清除速度慢。
标记-压缩（整理）算法（Mark-Compact）
- 是标记清除的改进；
- 标记完后把存活对象压缩到一端，释放内存；
- 避免内存碎片问题，适用于老年代。
分代收集（Generational GC）
新生代使用复制算法，老年代使用标记清除或压缩算法；
理由：
- 大多数对象“朝生夕死”，适合复制算法；
- 老年代对象存活率高，复制开销大，适合标记压缩。
六、常见垃圾收集器
| 收集器名称 | 作用区域 | 特点 |
|---|---|---|
| Serial | 新生代 | 单线程，Stop-The-World，适合单核/小应用 |
| ParNew | 新生代 | Serial 的多线程版本 |
| Parallel Scavenge | 新生代 | 吞吐量优先，适合后台批处理系统 |
| CMS（已废弃） | 老年代 | 并发收集、低停顿，但容易产生碎片 |
| Serial Old | 老年代 | Serial 的老年代版本 |
| Parallel Old | 老年代 | Parallel 的老年代版本 |
| G1（推荐） | 新+老 | 面向服务端，低延迟、可预测停顿 |
| ZGC / Shenandoah | 新+老 | 超低延迟，适合超大内存（100GB+）应用 |
七、GC 类型与触发时机
| GC 类型 | 触发时机 | 回收区域 | 使用算法 |
|---|---|---|---|
| Minor GC | 新生代满 | 新生代 | 复制算法 |
| Major GC | 老年代满 | 老年代 | 标记-压缩 |
| Full GC | 整体内存压力高、元空间满、System.gc() | 新生代 + 老年代 + 元空间 | 综合算法 |
八、如何选择垃圾收集器？
单核、资源紧张、客户端程序：
- 使用 Serial + Serial Old
多核、后台任务型应用、对吞吐量要求高：
- 使用 Parallel Scavenge + Parallel Old
用户体验要求高、低延迟应用：
- 使用 G1（JDK9 后默认）、ZGC、Shenandoah
九、G1 收集器简要说明（面试重点）
- 将堆划分为多个 Region；
- 并发执行 Mark 阶段，减少 STW；
- 优先回收垃圾最多的 Region（Garbage First）；
- 可通过
-XX:MaxGCPauseMillis控制最大停顿时间； - 对大内存友好，JDK9+ 推荐默认使用。
十、调试与配置常用参数
# 查看 GC 日志（JDK8）
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log
# 设置新生代大小
-Xmn256m
# 设置堆最大/最小值
-Xms512m -Xmx512m
# 使用 G1 收集器
-XX:+UseG1GC
# 控制最大 GC 停顿时间
-XX:MaxGCPauseMillis=200
十一、垃圾回收相关工具
| 工具名称 | 说明 |
|---|---|
jstat |
查看 JVM 各种运行指标（GC、类加载、堆等） |
jvisualvm |
图形化 JVM 监控工具 |
jconsole |
图形化管理工具，可连远程 |
GCViewer |
分析 GC 日志 |
MAT（Memory Analyzer Tool） |
堆内存分析工具，找内存泄漏 |
十二、面试高频问题总结
Q1：对象从新生代晋升到老年代的条件？
- 经历
-XX:MaxTenuringThreshold次 GC； - Survivor 区放不下时，直接进入老年代；
- Survivor 区年龄分布达到阈值，提前晋升。
Q2：Minor GC 和 Full GC 有什么区别？
- Minor GC 只回收新生代，频率高，速度快；
- Full GC 回收整个堆（新生代 + 老年代 + 元空间），频率低，STW 时间长，影响性能。
Q3：如何判断是否发生内存泄漏？
- GC 后对象仍然没有被释放；
- 使用
jmap + MAT工具分析对象引用链。
总结
JVM 垃圾回收的核心是“分代 + 区域 + 策略”，通过合适的算法（复制、标记清除、压缩）和收集器（如 G1、ZGC）实现不同场景下的高效内存管理，是高性能 Java 应用的保障。
十三、三色标记法（Tri-Color Marking）
三色标记法是什么？
三色标记法 是现代垃圾回收器中用于并发标记阶段的一种对象可达性追踪算法。其核心目的是在应用线程运行过程中，仍能安全、准确地标记存活对象，避免漏标或误回收。
它被广泛应用于：
- CMS
- G1
- ZGC
- Shenandoah 等收集器的并发 GC 实现中
三种颜色含义
| 颜色 | 状态说明 |
|---|---|
| 白色 | 初始状态，表示对象未被访问；最终仍为白的对象将被回收 |
| 灰色 | 对象已被访问，但其引用的其他对象尚未全部扫描完毕 |
| 黑色 | 对象已访问完毕，自身和引用对象都已处理，判定为存活 |
标记流程
所有对象初始为白色；
GC Root 集合作为入口，加入灰色集合；
循环处理灰色对象：
- 标记为黑；
- 扫描其引用的白色对象 → 转为灰色；
灰色集合为空后：
- 剩余未访问的白色对象即为不可达对象 → 回收。
并发 GC 中的“漏标”问题
在并发标记时，用户线程仍在运行，可能会导致以下情况：
- 对象 A 被标记为黑；
- A 指向对象 B（白色）；
- 此时用户线程将 A → B 的引用断开，并把 C（灰）指向 B；
- 后续 GC 先处理了 A（黑），再处理 C（灰）时不再追踪 B；
- B 由于“断开”后未再被扫描，最终仍为白色 → 被错误回收（漏标）！
解决办法
现代 GC 通常通过以下机制解决漏标问题：
| 技术 | 描述说明 |
|---|---|
| 增量更新（Incremental Update） | 当黑对象新增引用白对象时，重新将白对象置为灰色，等待重新扫描 |
| SATB（Snapshot At The Beginning） | 保留标记开始时的对象引用快照，即使中途引用断了，也按初始快照追踪对象存活性 |
应用收集器
| GC 收集器 | 是否使用三色标记法 | 附加机制 |
|---|---|---|
| CMS | 是 | 增量更新 |
| G1 | 是 | 增量更新 |
| ZGC | 是 | SATB |
| Shenandoah | 是 | SATB |
三色标记法通过黑 / 灰 / 白三种状态动态追踪对象引用，确保在并发标记时依然准确地识别出所有存活对象，是现代低停顿 GC 的基础核心算法。