在Java程序运行过程中，内存管理是一个核心环节，而垃圾回收（Garbage Collection，简称GC）机制则是Java实现自动内存管理的关键，它允许开发者无需手动释放对象所占用的内存，从而避免了C++等语言中常见的内存泄漏和悬垂指针问题，Java中的垃圾究竟是如何被回收的呢？这背后涉及一套复杂而精密的机制。
如何判断对象是“垃圾”：垃圾回收的判定算法
垃圾回收器首先要解决的问题是如何确定哪些对象已经不再被程序使用，即“垃圾”，目前主流的判定算法有两种：引用计数法和可达性分析算法。
引用计数法
引用计数法是一种简单的算法，它为每个对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用该对象时，计数器值加1；当引用失效时，计数器值减1，任何时刻，当计数器值为0时，就意味着该对象不再被使用,可以被回收。
这种方法的优点是实现简单，判定效率高，但它有一个主要的缺点：无法解决循环引用的问题，有两个对象A和B，A中引用了B，B中也引用了A，除此之外没有其他任何地方引用它们，A和B的引用计数器都不会为0，即使它们已经不再被程序访问，也无法被回收，从而导致了内存泄漏，由于这个缺陷,Java语言并没有采用引用计数法来管理垃圾回收。
可达性分析算法
可达性分析算法是目前主流的编程语言（包括Java）所采用的判定方法，它的基本思想是通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为“引用链”，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明该对象是不可达的,即可以被判定为垃圾。
哪些对象可以作为GC Roots呢？主要包括以下几类：
- 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，例如各个线程调用的方法参数、局部变量等。
- 方法区中类静态属性引用的对象,例如Java类的引用类型静态变量。
- 方法区中常量引用的对象，例如字符串常量池（String Pool）中的引用。
- 本地方法栈中JNI（即Native方法）引用的对象。
- 正在被同步锁（synchronized）持有的对象。
- 反映Java虚拟机内部情况的JMX、JVMTI等注册的回调。
通过可达性分析算法，可以有效地避免循环引用带来的内存泄漏问题，因为即使两个对象互相引用，只要它们都与GC Roots断开了连接,就会被判定为垃圾。
垃圾回收的算法实现：如何回收垃圾
当确定了哪些对象是垃圾之后，垃圾回收器需要采用特定的算法来回收这些对象占用的内存空间,常见的垃圾回收算法有以下几种：
标记-清除算法（Mark-Sweep）
这是最基础的垃圾回收算法,它分为两个阶段：
- 标记阶段：通过可达性分析算法，标记出所有从GC Roots出发可以访问到的对象,即存活对象。
- 清除阶段：遍历整个堆内存，将所有未被标记的对象（即垃圾）进行回收,清除其占用的内存空间。
这种算法的优点是实现简单，容易理解,但它有两个主要的缺点：
- 效率问题：标记和清除两个过程的效率都不高,尤其是对于堆空间较大的情况。
- 空间问题：标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片过多会导致后续需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存空间,从而不得不提前触发另一次垃圾回收。
标记-复制算法（Copy）
为了解决标记-清除算法的内存碎片问题，标记-复制算法应运而生，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，比如一块叫Eden空间，另一块叫Survivor空间（通常又分为From和To两个区域），每次只使用其中一块Eden和一块Survivor区域，当这块内存用完了，就将还存活着的对象复制到另一块Survivor区域上,然后一次性清理掉Eden和刚才使用的Survivor区域。
这种算法的优点是实现简单，运行高效，没有内存碎片，但它也付出了相应的代价：可用内存缩小为原来的一半，空间浪费较大，现在的商业虚拟机（如HotSpot）通常将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间（From和To），比例一般为8:1:1，每次使用Eden和一块Survivor，回收时将存活对象复制到另一块Survivor，从而将空间浪费控制在10%以内。
标记-整理算法（Mark-Compact）
标记-整理算法是结合了标记-清除和标记-复制算法的优点而形成的一种算法,它也分为两个阶段：
- 标记阶段：与标记-清除算法一样,先标记出所有存活对象。
- 整理阶段：不是直接清除标记外的对象，而是将所有存活的对象都向内存空间的一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。
这种算法的优点是解决了标记-清除算法的内存碎片问题，也避免了标记-复制算法的空间浪费，但它的缺点是移动对象并更新所有引用这些对象的指针是一个相对耗时的操作,且算法的复杂度较高。
分代收集理论：高效回收的实践
为了更高效地回收垃圾，Java虚拟机（特别是HotSpot虚拟机）的垃圾回收器普遍采用了分代收集理论,该理论建立在两个分代假说之上：
- 绝大多数对象都是朝生夕灭的。
- 熬过越多次垃圾收集过程的对象,就越难以消亡。
根据这两个假说，Java堆被划分为两个不同的区域：新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
- 新生代：用于存放新创建的对象，大部分对象在这里诞生，也在这里消亡，新生代又被分为一个Eden区和两个Survivor区（From和To），新生代采用的垃圾回收算法主要是标记-复制算法，因为大部分对象在第一次GC后就会死亡，只有少量对象会存活并进入Survivor区,复制成本低廉。
- 老年代：用于存放在新生代中经历了多次GC仍然存活下来的对象，例如一些生命周期较长的对象，老年代通常采用标记-清除或标记-整理算法，因为老年代对象存活率高，如果使用复制算法,成本会非常高。
当新生代的Eden区空间不足时，会触发一次Minor GC（也称为Young GC），将存活对象复制到Survivor区，当Survivor区空间也不足时，对象会通过“晋升”（Promotion）机制进入老年代，当老年代空间不足时，会触发一次Major GC或Full GC（Full GC会回收整个Java堆和方法区）,通常会导致较长的停顿时间。
垃圾回收器：算法的具体实现
不同的垃圾回收器将上述算法和分代理论付诸实践，以满足不同场景下的性能需求，HotSpot虚拟机提供了多种垃圾回收器，如Serial GC、Parallel GC、CMS GC、G1 GC、ZGC和Shenandoah GC等，它们各有特点，适用于不同的应用场景，例如注重吞吐量的应用、注重低延迟的应用等。
Java中的垃圾回收是一个复杂而自动化的过程，它通过可达性分析算法判定垃圾对象，并采用标记-清除、标记-复制、标记-整理等算法进行回收，分代收集理论的应用，使得垃圾回收器能够针对不同生命周期的对象采用不同的回收策略，从而大大提高了回收效率，理解Java垃圾回收的原理，有助于开发者编写出更高效、更稳定的Java应用程序,并在性能调优时做出更明智的决策。
