逐道-Ethan.Yang
逐道-Ethan.Yang

# 垃圾回收机制前置知识

作者：Ethan.Yang
博客：https://blog.ethanyang.cn (opens new window)

# 一、引用语义：谁在“指着”这个对象？

Java 通过引用强度影响对象的存活判定与回收时机。

# 1）强引用

只要存在强引用，GC 永远不会回收对象，即使内存紧张。

Object obj = new Object(); // 强引用
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# 2）软引用

内存充足不回收，紧张时回收；常用于缓存。

SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());
Object obj = softRef.get();
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# 3）弱引用

发生 GC 就回收（不看内存是否紧张）；常用于 WeakHashMap、ThreadLocal 的键等。

WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());
Object obj = weakRef.get();
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# 4）虚引用

仅用于跟踪对象回收状态，不影响可达性。

ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), queue);
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这些引用不会直接改变 GC 算法，但会在 可达性分析 与 清理阶段 影响对象命运。

# 二、可达性分析：如何判断对象“还活着”

# 1）GC Roots 的来源

  • 线程栈帧中的局部变量表引用

  • 方法区（元空间）中的静态字段引用

  • 运行时常量池中的引用

  • 正在运行的线程对象本身

  • JNI（本地方法）引用

GC Roots 是堆外区域中的引用起点。

# 2）可达性分析算法

从 GC Roots 出发，沿着对象引用链递归查找：

  1. 标记阶段: 从 GC Roots 出发，把能沿引用链抵达的对象标记为“活”；

  2. 清理阶段: 没被标记的对象就是不可达对象，可以回收。

注意：可达 ≠ 正在使用；JVM 只以“从根是否可达”作为回收判定的客观标准。

# 三、对象标记机制与演进

# 1) 三色标记法

颜色 含义
白色 未被标记（可回收）
灰色 已发现但其引用未扫描完
黑色 已扫描完且所有引用对象均可达

执行流程:

  1. 所有对象初始为白色；

  2. GC Roots 标记为灰色；

  3. 不断扫描灰色对象，将其引用对象染灰，自身转为黑色；

  4. 扫描结束后，剩余白色对象为垃圾。

写屏障 & 记忆集（Card Table / RSet）

为解决并发标记时引用变更问题（如“黑指向白”），GC 利用写屏障和记忆集维护“三色不变式”：

A → B // A 黑、B 灰
A.field = C; // 若 C 白，则需重新标灰
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如果C是白色, A->C 违反了三色定义, 黑色的对象是可达并且所有子引用都扫描完, C有引用不应该被回收, 但是按照三色标记法会被回收。不同年代的垃圾回收器有不同的处理方式。

# 2) 跨代引用与写屏障机制

由于对象在年轻代与老年代间存在跨代引用，GC 引入以下机制优化扫描效率：

  1. 写屏障（Write Barrier）

    在引用写操作前后插入钩子，用于通知 GC “某个引用被修改了”。

    write_barrier(A, B) {
    record_reference_change(A, B);
    A.field = B;
}
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  2. Card Table（卡表）

    • 堆被划分为固定大小的 Card 区块；

    • 当老年代对象引用了年轻代对象，对应卡页被标记为脏；

    • Minor GC 时只扫描脏卡页，避免全堆扫描。

  3. RSet（Remembered Set）

    G1 收集器中每个 Region 自带一份“卡表”，记录其他 Region 指向本 Region 的引用； 避免全堆扫描，提高并行效率。

  4. CSet（Collection Set）

    G1 每次 GC 周期中选出的待回收 Region 集合：

    • 包含 Eden、部分 Survivor、部分 Old Region；
    • 基于“回收收益”模型优先清理垃圾比例高的 Region。

# 3) 收集器演进

  1. 早期阶段

    • 代表收集器

      Serial、ParNew、Parallel Scavenge

    • 全程 Stop-The-World

      垃圾回收时用户线程会暂停, 当完成可达性分析+回收工作后再恢复应用线程。

    • Minor GC 依赖卡表机制避免老年代全堆扫描, 解决跨代引用。

      OldObj.field = YoungObj;
// 写屏障示意 只要某个老年代区域引用了年轻代，就把对应的卡页打脏。
card_table[(address(OldObj) >> 9)] = DIRTY;
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  2. 并发标记阶段

    • 代表收集器

      CMS

    • 标记阶段与用户线程并发

    • Minor GC 依赖卡表机制避免老年代全堆扫描, 解决跨代引用。

    • 使用写后屏障防止“黑指向白”漏标问题；

      // 问题
A → B    （A 已标黑，B 已标灰）
// 新增引用, 如果C为白色
A.field = C; 

// 解决方案 使用写屏障变更引用对象颜色
if (A is black && C is white)
	mark(C as gray) // 变更 mark bitmap 记录对象染色情况
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  3. Region 化阶段

    • 代表收集器

      G1

    • 处理方式

      堆被划分为等大小 Region；使用 RSet 跟踪跨 Region 引用；通过 CSet 按收益优先选择回收目标。

# 四、核心回收算法

算法 过程 优点 缺点 典型应用
标记-清除 标记可达对象，清理未标记 实现简单 碎片多 老年代（基础实现）
标记-复制 复制存活对象到新区域 无碎片，快 空间浪费 新生代
标记-整理 标记后移动对象 消除碎片 需移动对象 老年代（Compact GC）
分代收集 按对象生命周期分代 效率高 实现复杂 各主流收集器

# 五、GC 触发条件

触发场景 类型
Eden 或 Survivor 区满 Minor GC
老年代空间不足 / 晋升失败 Major / Full GC
元空间压力或 System.gc() 调用 Full GC

# 六、YGC 与 Full GC 的扫描边界

# 1）YGC（Minor GC / Young GC）

  • 目标：只回收年轻代（Eden + Survivor）中的无用对象。

  • 根对象来源（Roots）：

    • 线程栈、本地引用、静态字段
    • 老年代中被标记为 Dirty 的卡页（Card Table / RSet）

  • 回收流程： 从 Roots 开始扫描 → 标记年轻代存活对象 → 将其 复制 到 Survivor 区（或晋升到老年代）。

# 2）Full GC（Major GC）

  • 触发：老年代不足、晋升失败或显式 System.gc()。
  • 范围：全堆（新生代 + 老年代 + 元空间）。
  • 并行收集器：全堆扫描；
  • G1 / ZGC：基于 Region / Page 的精确扫描，依赖 RSet 或染色指针识别引用。

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