JVM 垃圾回收算法有哪些？

面试考察点

基础概念理解：是否清楚 JVM 垃圾回收要解决什么问题（识别垃圾、回收内存），以及几种基本算法的核心思想。
算法优缺点分析：能否准确说出每种算法的优势（如吞吐量、低延迟、内存利用率）和劣势（如内存碎片、STW 时间），而不仅仅是背定义。
分代收集策略：是否理解为什么现代 JVM 不单独使用某一种算法，而是基于 “分代假设” 将不同算法组合起来（如在年轻代用复制算法，在老年代用标记-整理或标记-清除）。
与具体垃圾回收器的关联：是否了解这些算法在具体垃圾回收器（如 Serial、Parallel、CMS、G1、ZGC）中的落地实现，以及版本演进（JDK 8 的 Parallel 默认、JDK 9 后的 G1 默认）。
实际应用场景：能否根据系统对吞吐量、延迟敏感度的不同，联想到应该侧重选择基于哪种算法的回收器。

JVM 的垃圾回收算法主要包含以下四种基础算法：

目前主流的垃圾回收器（如 G1、ZGC）还引入了并发标记、并发整理等更细粒度的算法变体，但其底层原理仍脱胎于上述基础算法。

原理/机制：
- 标记阶段：从 GC Roots 出发，遍历所有可达对象，并将它们标记为存活。
- 清除阶段：遍历堆中所有对象，回收未被标记的对象的内存。这些被回收的内存会被记录到空闲列表（Free List）中，供后续分配使用。
图示（文字描述）：假设内存块中有对象 A（存活）、B（存活）、C（死亡）。标记后，A 和 B 被标记；清除阶段，C 的内存被回收，但 A 和 B 之间的空间变成不连续的空闲块。
优缺点：
- 优点：实现简单，不需要移动对象。
- 缺点：
  1. 执行效率不稳定：标记和清除两个过程都需要遍历所有对象，当堆中对象数量庞大时，效率会下降。
  2. 内存碎片：清除后会产生大量不连续的内存碎片。当需要分配一个大对象时，即使总空闲内存足够，也可能因找不到连续空间而触发另一次垃圾回收。
应用场景：CMS（Concurrent Mark Sweep）回收器的 “清除” 阶段就基于此算法，因此 CMS 对碎片化敏感，最终可能导致 Concurrent Mode Failure 而退化为 Serial Old 进行整理。

原理/机制：
- 将可用内存划分为大小相等的两块（如 From 和 To），每次只使用其中一块。
- 当这一块内存用完时，将存活对象复制到另一块空闲的内存上，然后一次性清理掉原来那块内存的所有对象。
- 复制时对象在内存中会被紧密排列，避免了碎片问题。
优缺点：
- 优点：
  1. 实现简单，运行高效。
  2. 内存回收时没有碎片。
  3. 只需遍历存活对象，对于存活率低的场景（如新生代），效率极高。
- 缺点：
  1. 空间浪费：内存可用空间缩小为原来的一半（如果严格按 1:1 分区）。
  2. 对象存活率高时效率下降：如果存活对象多，复制操作就会增多，得不偿失。因此该算法不适合老年代。
应用场景：几乎所有商业 JVM 的新生代回收器（Serial、ParNew、Parallel Scavenge）都采用这种算法。通常不按 1:1 划分，而是使用一个较大的 Eden 区和两个较小的 Survivor 区（如 HotSpot 默认 8:1:1），通过幸存区担保来优化空间利用率。

原理/机制：
- 标记阶段：与标记-清除一样，先标记出所有存活对象。
- 整理阶段：将所有存活对象向内存空间的一端移动，然后直接清理掉边界以外的所有内存。
优缺点：
- 优点：
  1. 解决了标记-清除的内存碎片问题。
  2. 与复制算法相比，没有内存分区浪费，内存利用率更高。
- 缺点：
  1. 停顿时间长：移动存活对象并更新所有引用（指针）是一项重量级操作，需要 Stop-The-World。
应用场景：老年代回收器（如 Serial Old、Parallel Old）以及 G1 的 “混合回收” 阶段的部分行为，都基于或借鉴了标记-整理的思想。

原理/机制：这并不是一种具体的算法，而是一种融合策略。它基于 “弱分代假说”（绝大多数对象朝生夕死，熬过多次 GC 的对象难以回收）。
- 新生代：对象存活率低，适合用复制算法，只需复制少量存活对象，效率高。
- 老年代：对象存活率高，没有额外空间进行分配担保，适合用标记-清除或标记-整理算法。
最佳实践：在实际开发中，我们通常通过配置不同的垃圾回收器组合来体现分代收集。例如：
- 高吞吐量场景（如批处理、计算任务）：使用 -XX:+UseParallelGC（Parallel Scavenge + Parallel Old），新生代复制 + 老年代标记-整理。
- 低延迟场景（如 Web 服务、中间件）：JDK 8 可使用 -XX:+UseConcMarkSweepGC（ParNew + CMS），新生代复制 + 老年代标记-清除（并发）。JDK 9+ 默认的 G1（Garbage-First）则是一种“化整为零”的算法，它将堆划分为多个 Region，逻辑上分代，但回收时优先回收价值最大的 Region，整体上更像是标记-整理的并发版本。

随着硬件发展和对延迟的极致追求，JVM 引入了更多不基于传统分代（或弱分代）的回收器，其算法也有演进：

G1（Garbage-First）：基于 Region 化的堆布局，整体上采用标记-整理算法，但通过并发标记、并发存活数据计算，能避免全堆的移动停顿。它通过 Remembered Set 来维护跨 Region 引用，实现了可预测的停顿时间模型。
ZGC（JDK 11 引入） 和 Shenandoah（JDK 12 引入）：它们更进一步，几乎在所有耗时操作（如标记、对象移动、引用更新）上都实现了并发处理，通过染色指针（ZGC）或读屏障（Shenandoah）等技术，将 Stop-The-World 时间降低到几乎忽略不计（10ms 以内）。其底层核心仍是并发标记和并发整理（移动对象）的组合。

误区 1：认为 “分代收集” 是一个具体的算法。纠正：它是一种策略，组合了不同算法。
误区 2：认为 “标记-整理” 完全优于 “标记-清除”。纠正：标记-整理的吞吐量更低（因为要移动对象），且要求 Stop-The-World，而 CMS 的标记-清除是并发的。
误区 3：混淆 “复制算法” 与 “Survivor 区的作用”。纠正：复制算法是一种内存回收方式，而 Survivor 区是 HotSpot 实现新生代复制算法时的一种优化手段，用于减少复制次数和对象过早晋升。

JVM 垃圾回收算法从基础的标记-清除、复制、标记-整理，发展到分代收集策略，再到如今 G1、ZGC 等并发回收器采用的并发标记/整理，核心目标始终是在内存利用率、吞吐量和响应延迟之间寻找最佳平衡。理解这些基础算法，是掌握 JVM 调优和排查内存问题的基石。

发布于2026年02月14日|21:35:20