GC算法详解：标记清除/复制/整理

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javagcalgorithms

2025-03-10

概述

垃圾回收（Garbage Collection, GC）是JVM自动内存管理的核心。GC算法需要解决两个基本问题：哪些对象是垃圾（可达性分析）和如何回收垃圾（回收算法）。本文详解三种基础GC算法及分代收集理论。

对象存活判断

引用计数法（Reference Counting）

每个对象维护一个引用计数器，被引用时加1，引用失效时减1，计数为0则可回收。

致命缺陷：无法处理循环引用。

// 循环引用示例
class Node {
    Node next;
}
Node a = new Node();
Node b = new Node();
a.next = b; // b引用计数=1
b.next = a; // a引用计数=1
a = null;   // a引用计数=1（b.next仍引用）
b = null;   // b引用计数=1（a.next仍引用）
// 两个对象都无法回收，但已无法从外部访问

可达性分析（Reachability Analysis）

从 GC Roots 出发，沿引用链遍历，不可达的对象即为垃圾。这是Java（以及大多数现代GC）使用的算法。

红色的F、G虽然互相引用，但从GC Roots不可达，会被判定为垃圾。

GC Roots包括

GC Root	说明
虚拟机栈引用	方法参数、局部变量
方法区静态变量	`static Object obj`
方法区常量	`static final String CONST`
JNI引用	Native方法持有的引用
synchronized锁对象	被 synchronized 持有的对象
JVM内部引用	Class对象、异常对象、类加载器

标记-清除算法（Mark-Sweep）

最基础的GC算法，分两个阶段：

标记阶段：从GC Roots遍历，标记所有可达对象
清除阶段：遍历堆，回收未被标记的对象

优点：

实现简单
不需要移动对象

缺点：

内存碎片：清除后产生大量不连续的空闲空间，大对象可能无法分配
效率不稳定：标记和清除两个阶段的时间与堆中对象总数成正比

标记-复制算法（Mark-Copy）

将内存分为两个大小相等的半区（From / To），每次只使用其中一个。GC时将存活对象复制到另一半区，然后清空当前半区。

优点：

无内存碎片，分配只需移动指针（Bump Pointer）
只处理存活对象，存活率低时效率极高

缺点：

内存利用率仅50%
存活率高时复制开销大

Appel式回收（改进版）

HotSpot新生代采用的优化方案：将新生代分为1个 Eden 和2个 Survivor（默认比例8:1:1）。

每次只有 Eden + 1个Survivor 被使用，内存利用率提升到 90%。当 Survivor 不够时，老年代进行分配担保（Handle Promotion）。

标记-整理算法（Mark-Compact）

在标记阶段后，不直接清除，而是将所有存活对象向内存一端移动，然后清理边界外的空间。

优点：

无内存碎片
内存利用率高（不需要两个半区）

缺点：

移动对象需要更新所有引用，开销大
移动过程必须暂停用户线程（STW）

三种算法对比

特性	标记-清除	标记-复制	标记-整理
速度	中等	最快（存活少时）	最慢
空间利用率	高	低（50%~90%）	高
内存碎片	有	无	无
移动对象	否	是	是
STW时间	短	短	长
适用场景	老年代（CMS）	新生代	老年代（Serial Old, G1）

分代收集理论

两个假说

弱分代假说：绝大多数对象朝生夕灭（存活时间短）
强分代假说：熬过越多次GC的对象，越不容易死亡

由此推导出分代策略：新生代用复制算法（存活率低），老年代用标记-清除/整理（存活率高）。

对象晋升规则

规则	说明
年龄阈值	对象每熬过一次Minor GC年龄+1，达到阈值（默认15）晋升老年代
动态年龄判定	Survivor中相同年龄对象大小超过Survivor空间50%，年龄>=该值的直接晋升
大对象直接进入	超过 `-XX:PretenureSizeThreshold` 的对象直接分配到老年代
空间分配担保	Minor GC后Survivor放不下，通过担保机制直接进入老年代

跨代引用与记忆集

问题：Minor GC 只收集新生代，但老年代中可能有对象引用新生代对象。如果扫描整个老年代，Minor GC就失去了意义。

解决方案：记忆集（Remembered Set）。

卡表（Card Table） 是记忆集的一种实现。将老年代划分为若干个Card（通常512字节），如果某个Card中的对象引用了新生代对象，则标记该Card为dirty。Minor GC时只需扫描dirty card，而非整个老年代。

// 卡表的写屏障伪代码
// 在引用赋值时触发
void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
    *field = new_value;
    // 写后屏障：标记card为dirty
    card_table[((uintptr_t)field) >> 9] = DIRTY_CARD;
}

安全点与安全区域

安全点（Safepoint）

GC需要暂停所有用户线程（STW），但不能在任意位置暂停 — 必须在安全点。安全点是指"程序执行时所有引用关系确定、GC可以安全进行"的位置。

常见的安全点位置：

方法调用
循环末尾（回边）
异常抛出

如何让线程到达安全点？

抢先式中断（几乎不使用）：直接中断所有线程，不在安全点的恢复执行
主动式中断（主流）：设置一个标志，线程在安全点轮询该标志，发现需要GC则主动中断

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