JVM 垃圾回收算法有哪些？

面试考察点

1. 算法基础掌握：面试官想知道你是否清楚四种基础 GC 算法的原理和特点，而不是笼统地说一句 "标记清除"。
2. 优缺点对比能力：每个算法都有明显的短板，面试官考察你能否说出 "空间碎片"、"复制开销"、"Stop-The-World" 这些关键词，以及它们各自的适用场景。
3. 分代收集思想：现代 JVM 不是只用一种算法，而是根据分代特点组合使用。能不能把这层关系讲清楚，是区分 "背八股文" 和 "真理解" 的分水岭。

核心答案

JVM 的垃圾回收算法有 4 种基础算法：

算法	核心思路	优点	缺点
标记-清除（Mark-Sweep）	先标记可回收对象，再统一清除	实现简单	空间碎片多、分配效率低
标记-复制（Copying）	将存活对象复制到另一块空间，原空间整体清空	没有碎片、分配快（指针碰撞）	内存利用率只有一半
标记-整理（Mark-Compact）	将存活对象向一端移动，清理边界外空间	没有碎片、内存利用率高	移动对象开销大
分代收集（Generational）	根据对象存活特点分代，每代选用最合适的算法	兼顾效率和利用率	实现复杂

现代 JVM（HotSpot）采用的是 分代收集策略，在不同代中组合使用上述基础算法。

深度解析

一、标记-清除算法（Mark-Sweep）

最基础的 GC 算法，分为两步：先标记出所有需要回收的对象，再统一清除。

标记-清除的过程很直观：遍历所有对象，把不可达的标出来（标记阶段），然后把这些对象的内存直接回收（清除阶段）。

• 优点：实现简单，不需要移动对象，不需要额外空间。
• 缺点一：空间碎片。清除后内存中布满了大大小小的空闲块。假设现在要分配一个 3 个单位的对象，虽然总空闲空间够，但没有任何一个连续的空闲块满足要求，分配就会失败。
• 缺点二：分配效率低。碎片化之后，分配器不得不用 "空闲列表"（Free List）来管理可用内存，每次分配都要遍历列表找合适大小的块，比起 "指针碰撞"（Bump the Pointer）那种 O(1) 的分配方式，效率差了不少。

二、标记-复制算法（Copying）

为了解决碎片问题，标记-复制算法把内存一分为二，每次只用其中一半。

标记-复制的思路很巧妙：每次 GC 只扫描当前正在使用的半区（From 区），把存活对象 按顺序 复制到另一半（To 区），然后 From 区整个清空。复制完成后两个角色互换。

• 优点：复制过去之后对象是紧凑排列的，没有碎片。分配新对象时只需要移动一个指针就行了（指针碰撞），O(1) 搞定，效率极高。
• 缺点：太费内存了。可用空间直接打了个五折，对于堆内存寸土寸金的 JVM 来说，这个代价很大。另外如果存活对象很多，复制操作本身的开销也不小。

HotSpot 的新生代做了一个很聪明的优化——Appel 式回收。它不是严格 1:1 平分，而是把新生代分为一个较大的 Eden 区和两个较小的 Survivor 区（From 和 To），默认比例 8:1:1。每次 GC 只用 Eden + 一个 Survivor，浪费的空间只有 10% 而不是 50%。这块在后面的分代收集中会详细说。

三、标记-整理算法（Mark-Compact）

标记-复制太费空间了，那有没有既不碎片、又不浪费一半内存的方案？标记-整理就是答案。

标记-整理分三步：先标记存活对象（和标记-清除一样），然后把所有存活对象往内存的一端 "挪动"，最后把边界以外的空间全部释放。

• 优点：既没有碎片，又不浪费额外空间。对老年代这种对象存活率高、GC 不频繁的区域特别合适。
• 缺点：要移动对象就意味着要更新所有指向这些对象的引用，这个开销不小。尤其是老年代对象多的时候，整理过程会比较慢。

所以这也是一个权衡：新生代存活少，用复制算法划算；老年代存活多，移动所有对象的成本太高，但碎片更不能接受，所以用标记-整理。

四、分代收集算法（Generational Collection）

重点来了。前面三种算法各有优劣，现代 JVM 的做法是——不选一个，全都要。

分代收集的核心思想基于一个经验规律：绝大多数对象都是 "朝生夕死" 的。统计表明，约 98% 的对象在一次 Minor GC 中就会被回收。根据对象存活特点的不同，把堆内存分为不同的 "代"，每代选用最适合的算法。

分代收集的整体布局如上图所示，Java 堆被划分为新生代和老年代两大区域：

• 新生代（Young Generation）：分为 Eden 区和两个 Survivor 区（S0 和 S1），默认比例 8:1:1。新对象优先在 Eden 区分配。每次 Minor GC 时，将 Eden 和当前使用的 Survivor 区中的存活对象复制到另一个 Survivor 区，然后清空前两个区域。使用标记-复制算法，因为新生代对象存活率极低，只需要复制少量存活对象，效率很高。而且由于有 Survivor 区做缓冲，实际浪费的空间只有 10%（一个 Survivor 区），而不是 50%。
• 老年代（Old Generation）：存放长期存活的对象和大对象。由于老年代对象存活率高，如果用复制算法，需要复制大量对象，效率太低。所以老年代使用 标记-清除 或 标记-整理 算法。具体用哪种取决于选择的垃圾收集器：CMS 使用标记-清除（追求低延迟），Serial Old、Parallel Old 使用标记-整理（追求吞吐量）。

五、对象如何晋升到老年代？

聊到分代收集，就绕不开对象从新生代晋升到老年代的规则，这同样是高频考点：

晋升条件	说明
年龄达到阈值	对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC，年龄 +1，默认达到 15 岁（-XX:MaxTenuringThreshold）晋升到老年代
大对象直接进入老年代	超过 -XX:PretenureSizeThreshold 设定值的对象，直接在老年代分配，避免在新生代来回复制
动态年龄判断	Survivor 区中相同年龄的所有对象大小总和超过 Survivor 空间的一半，则年龄 >= 该年龄的对象直接晋升
空间分配担保	Minor GC 后 Survivor 区放不下所有存活对象，通过担保机制直接进入老年代

六、三种基础算法全面对比

一张表总结清楚：

维度	标记-清除	标记-复制	标记-整理
空间碎片	❌ 有碎片	✅ 无碎片	✅ 无碎片
内存利用率	✅ 高	❌ 最高浪费 50%	✅ 高
移动对象	❌ 不移动	✅ 复制存活对象	✅ 移动存活对象
引用更新	❌ 不需要	✅ 需要更新引用	✅ 需要更新引用
分配方式	空闲列表	指针碰撞	指针碰撞
适用场景	存活对象多	存活对象少	存活对象多
典型应用	CMS 的老年代	新生代（Eden + Survivor）	Serial Old、Parallel Old

一句话总结这个取舍关系：空间碎片和内存利用率不可兼得，要么牺牲空间换无碎片（复制），要么牺牲时间换无碎片（整理），要么省时间但忍受碎片（清除）。

面试高频追问

1. 为什么新生代用复制算法，老年代用标记-整理？

   • 核心原因就一个字：活的对象少不多。新生代 98% 的对象熬不过一次 GC，用复制算法只需要复制那 2% 的存活对象，非常高效。老年代对象存活率高，复制意味着要拷贝大部分对象，还不如直接整理。

2. 为什么 Survivor 区要设计两个？

   • 为了避免复制算法的 "全量复制" 问题。两个 Survivor 交替使用，一个做来源，一个做目标，保证每次 GC 后存活对象都有地方放。只有一个的话，复制算法就没法做了。

3. CMS 为什么用标记-清除而不是标记-整理？

   • 因为 CMS 的设计目标是 低延迟。标记-整理需要移动对象并更新引用，这个过程中用户线程必须暂停（STW），而 CMS 为了减少停顿，选择了不移动对象的标记-清除。代价就是会有碎片，碎片太多时会退化为 Serial Old 做一次全量整理。

4. JDK 11 引入的 ZGC 和 Shenandoah 用的什么算法？

   • 它们用的是 染色指针 + 读屏障 实现的并发整理算法，可以在移动对象的同时让用户线程继续运行，理论上做到了整理操作不产生 STW 停顿。这是 GC 技术的前沿方向。

常见面试变体

• "说一说 JVM 的垃圾回收算法，各自的优缺点是什么？"
• "为什么新生代用复制算法？老年代为什么不用？"
• "JVM 的分代收集是怎么做的？为什么要分代？"
• "标记-清除和标记-整理有什么区别？"

记忆口诀

四种算法：标记清除有碎片，标记复制费空间，标记整理两全美但移动慢，分代收集组合拳。 分代对应：新生代配复制（活得少、复制快），老年代配清除或整理（活得多、移动慢）。 Eden Survivor 比例：8:1:1（八成新建，一成来，一回去）。

总结

JVM 有四种基础 GC 算法：标记-清除、标记-复制、标记-整理、分代收集。现代 HotSpot 采用分代策略——新生代用复制算法（存活少、效率高），老年代用标记-清除或标记-整理（存活多、不能浪费空间）。面试时把三种基础算法的优缺点和分代收集的组合思路讲清楚，基本就稳了。