虚拟机GC算法是Java虚拟机（JVM）内存管理的核心机制，其设计目标是通过自动回收不再使用的对象，解决内存泄漏和溢出问题，同时确保程序运行的效率与稳定性，随着Java版本的迭代，GC算法经历了从简单到复杂、从低效到高效的演进过程，形成了多样化的技术方案，以适应不同场景下的性能需求，本文将系统梳理主流GC算法的原理、分类及优化方向，帮助读者理解虚拟机内存管理的底层逻辑。
GC算法的核心目标与基础原理
GC算法的设计始终围绕三个核心目标：内存回收的高效性（减少停顿时间）、吞吐量（单位时间内程序运行时间占比）和低延迟（避免长时间卡顿），其基础原理基于“可达性分析”算法：通过一系列称为“GC Roots”的对象（如虚拟机栈中引用的对象、静态变量等）作为起点，遍历所有引用链，未被触及的对象即为不可达，可判定为垃圾，这一过程需要解决三个关键问题：如何定位垃圾（垃圾判定算法）、如何回收垃圾（回收算法）以及如何回收时减少对应用的影响（回收器实现）。
垃圾判定算法：标记与引用的博弈
在GC算法中,判定对象是否为“垃圾”是第一步，主流判定方法包括引用计数法和可达性分析法。
引用计数法通过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加1，引用失效时减1，计数器为0即判定为垃圾，该方法实现简单，但存在致命缺陷：无法处理循环引用问题（如两个对象相互引用，即使外部无引用，计数器也无法归零），因此在主流虚拟机中未被采用。
可达性分析法是目前工业界的标准方案，其核心思想是从GC Roots出发，通过“根搜索”算法标记所有可达对象，剩余未标记对象即为垃圾，该方法避免了循环引用的干扰，但需要暂停所有用户线程（即“Stop-The-World”，STW），这是GC导致应用停顿的主要原因之一。
经典GC回收算法：分代理论的实践
为提升回收效率,JVM根据对象存活周期将堆内存划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），不同区域采用不同的回收算法，这一思想被称为“分代收集理论”。
标记-清除算法（Mark-Sweep）
标记-清除算法是最基础的回收算法，分为两个阶段：标记（遍历GC Roots，标记所有存活对象）和清除（遍历堆内存，回收未被标记的对象），该算法实现简单，但存在两个显著缺点：一是空间碎片化，回收后内存空间不连续，可能导致大对象无法分配；二是效率不稳定，当堆内存较大时，标记和清除过程耗时较长。
标记-复制算法（Mark-Copy）
为解决碎片化问题,标记-复制算法将新生代划分为一块Eden区和两块Survivor区（From和To，默认比例8:1:1），每次只使用Eden区和一块Survivor区，当空间不足时，将存活对象复制到另一块Survivor区，并清空原区域，该算法避免了内存碎片，且复制过程只涉及存活对象，当对象存活率低时效率极高，但缺点也很明显：空间利用率低（可用内存仅为新生代容量的90%），且当对象存活率较高时，复制成本会急剧上升。
标记-整理算法（Mark-Compact）
标记-整理算法结合了标记-清除和标记-复制的优点，分为标记（同标记-清除）和整理（将所有存活对象向内存空间一端移动，直接清理端外内存），该算法解决了碎片化问题，且不需要额外空间，但移动对象并更新引用指针的操作较为耗时，通常用于老年代回收。
分代收集理论的落地
分代收集理论将上述算法结合：新生代（对象存活时间短）采用标记-复制算法（Minor GC），老年代（对象存活时间长）采用标记-清除或标记-整理算法（Major GC/Full GC），这种设计兼顾了回收效率与内存利用率，成为现代JVM的默认内存管理策略。
现代GC回收器：低延迟与高吞吐的平衡
随着应用对性能要求的提升,现代GC回收器在分代理论的基础上，通过并发、并行等技术优化STW时间，形成了多样化的解决方案。
串行回收器（Serial GC）
串行回收器是最古老的回收器,采用单线程进行GC工作，且在回收时必须暂停所有用户线程，其优点是内存占用小、算法简单，适合单核CPU或内存较小的客户端场景，新生代采用标记-复制，老年代采用标记-整理。
吞吐优先回收器（Throughput Collector，-XX:+UseParallelGC）
并行回收器（也称“吞吐量优先回收器”）通过多线程并行执行GC任务，大幅缩短STW时间，目标是最大化应用运行时间占比（吞吐量），新生代采用并行标记-复制（Parallel Scavenge），老年代采用并行标记-整理（Parallel Old），适合后台计算等对延迟不敏感的场景，如大数据处理。
并发回收器（Concurrent Mark Sweep，CMS，-XX:+UseConcMarkSweepGC）
CMS是第一款真正意义上的并发回收器,以“低延迟”为核心目标，其回收过程分为四个阶段：初始标记（STW）、并发标记（与用户线程并发）、重新标记（STW，修正并发标记期间变动的对象）和并发清除（与用户线程并发），CMS的并发阶段大幅减少了STW时间，但存在三个缺点：对CPU资源敏感（并发阶段会占用线程资源）、产生内存碎片（基于标记-清除算法）、“并发模式失败”风险（并发清理时内存不足触发Full GC）。
G1回收器（Garbage-First，-XX:+UseG1GC）
G1是面向服务端应用的回收器,其设计目标是“可预测的停顿时间”，它打破了物理分代界限，将堆划分为多个大小相等的独立Region（每个Region可扮演Eden、Survivor或Old角色），并跟踪每个Region的回收价值（回收所释放的空间与时间的比），在每次回收时，优先回收价值最大的Region（即“Garbage-First”），G1的回收过程包括初始标记、并发标记、最终标记和筛选回收（STW），通过Region化设计和混合回收（同时处理新生代与老年代）实现了低延迟与高吞吐的平衡，是目前JDK 9及之后的默认回收器。
ZGC与Shenandoah：超低延迟的探索
ZGC（-XX:+UseZGC）和Shenandoah是新一代并发回收器，目标是将STW时间控制在毫秒甚至亚毫秒级，ZGC通过着色指针（Colored Pointer）和读屏障（Read Barrier）实现并发标记、并发转移，几乎全程不STW；Shenandoah则通过并发转移（Concurrent Evacuation）减少停顿，两者均适合超大内存（TB级）和低延迟敏感场景（如金融交易、实时计算）。
GC算法的优化与选择
GC算法的优化方向主要包括：减少STW时间（通过并发、并行技术）、降低内存碎片（通过整理、复制策略）和提升回收效率（通过分代、Region化设计），在实际应用中，选择合适的GC回收器需结合业务场景：
- 客户端应用：优先选择串行回收器，内存占用小，启动快；
- 后台计算服务：选择吞吐优先回收器，最大化CPU利用率；
- 在线服务：选择G1、ZGC或Shenandoah，平衡延迟与吞吐；
- 超大内存应用：ZGC或Shenandoah是更优解，避免Full GC导致的长停顿。
通过JVM参数（如-XX:MaxGCPauseMillis、-XX:G1HeapRegionSize）调优，结合内存监控工具（如JConsole、VisualVM、GCEasy），可进一步优化GC性能。
虚拟机GC算法的演进,本质上是内存管理效率与应用性能需求的持续博弈，从简单的标记-清除到复杂的并发回收器，从分代理论到Region化设计，GC算法在自动化、低延迟、高吞吐的方向上不断突破，理解GC算法的原理与优化逻辑，不仅能帮助开发者排查内存泄漏、调优JVM参数，更能深入把握Java程序的底层运行机制，为构建高性能、高可用的应用系统奠定基础，随着云原生和Serverless架构的普及，GC算法仍将朝着更智能、更自适应的方向发展，持续为软件开发提供坚实的内存管理支撑。
