4. 垃圾回收机制

本文我们将深入探讨 JVM 的核心机制之一：垃圾回收机制（GC - Garbage Collection）。

在了解了 JVM 运行时内存区域之后，我们知道所有 new 出来的对象都会被放在“堆（Heap）”内存里。后端服务器（比如一个 Spring Boot 应用）是需要 7×24 小时不停运行的。如果只往堆里塞对象，而从不清理，内存迟早会被占满，最终导致系统崩溃（也就是 OOM - Out Of Memory，内存溢出）。

垃圾回收机制，就是 JVM 自动帮你清理堆内存中“不再使用”的对象的过程。

1. 核心问题一：JVM 如何判断哪些对象是“垃圾”？

JVM 在清理内存前，必须先准确找出哪些对象已经彻底没人用了。目前主流的方法是可达性分析算法（Reachability Analysis）。

什么是可达性分析？

JVM 会选定一些绝对不可能被当成垃圾的“核心对象”作为起点，这些起点被称为 GC Roots（垃圾回收根节点）。

JVM 会从这些 GC Roots 开始向下搜索，寻找它们引用了哪些对象，被引用的对象又引用了哪些对象……这就形成了一条引用链。

存活对象：只要一个对象能够顺着引用链连到任何一个 GC Root，就说明它还在被使用，绝对不能杀。
垃圾对象：如果一个对象到任何 GC Root 都没有任何引用链相连（即无法到达），说明程序已经不可能再访问到它了。哪怕它自己还连接着其他对象，它也是一堆垃圾，必须被回收。

哪些东西可以作为 GC Roots？

记住第三部分讲的内存区域，最典型的 GC Roots 包括：

虚拟机栈中引用的对象：比如当前正在执行的方法里定义的局部变量对象。

元空间中静态属性引用的对象：比如类里定义的 public static 全局变量对象。

2. 核心问题二：确定了垃圾，JVM 怎么清理？（三大基本算法）

找出垃圾后，如何把它们从堆内存里擦除？JVM 演进出了三种最基础的清理手段，它们各有优缺点：

1. 标记 - 清除算法（Mark-Sweep）

做法：先用可达性分析把所有垃圾对象标记出来，然后直接把它们在内存里清除掉。
缺点：会导致内存碎片化。被清理掉的空间是零散的。这就好比一个停车场，虽然空出了 10 个分散的单车位，但是当一辆大客车（需要连续 5 个车位的大对象）开进来时，依然找不到地方停。

2. 标记 - 复制算法（Mark-Copy）

做法：把可用的内存空间分成完全对等的两块。每次只使用其中一块。当这一块用完了，就触发 GC，把里面还活着的对象全部复制到另一块干净的内存上，然后把当前这一块整块格式化。
优点：速度极快，而且复制过去后对象排列整齐，完全没有内存碎片。
缺点：代价太高，直接浪费了一半的内存空间来做备用。

3. 标记 - 整理算法（Mark-Compact）

做法：标记完垃圾后，不直接清除，而是让所有存活的对象都向内存的一端移动、排列紧凑（就像电脑磁盘碎片整理），然后直接清理掉端边界以外的所有垃圾空间。
优点：既没有内存碎片，又不会浪费一半的空间。
缺点：移动存活对象需要修改所有指向它们的指针，效率相对较低。

3. 终极方案：分代收集理论（Generational Collection）

在实际的 JVM 堆内存中，并没有单一使用某一种算法，而是结合了这三种算法的优势。因为商业系统的开发经验发现，Java 对象的生命周期有一个巨大的特征：绝大多数对象都是“短命”的，而少数对象是“长寿”的。

短命对象：比如你在 Controller 接口里为了接收前端传参而 new 的一个 RequestDTO 对象，这个方法执行完（通常只要几毫秒），这个对象就彻底变成垃圾了。这种被称为“朝生夕死”。
长寿对象：比如 Spring 容器管理的 Service Bean，或者是数据库连接池，它们在程序一启动就被创建，直到程序关闭才会销毁。

基于这个客观物理事实，JVM 把堆内存划分为两个大区域：年轻代（Young Generation） 和 老年代（Old Generation）。

1. 年轻代（Young Generation）

存放什么：新创建的对象首先都会分配在这里。这里绝大多数对象都很短命。
内部结构：年轻代被进一步拆分为三个部分：Eden 区（伊甸园）、Survivor 0 区（幸存者 0） 和 Survivor 1 区（幸存者 1）。它们的默认空间比例是 8:1:1。
如何回收（Minor GC）：年轻代由于对象死得快，采用的是改良版的标记 - 复制算法。
1. 新对象都在 Eden 区诞生。
2. 当 Eden 区满了，触发一次小规模的垃圾回收，叫做 Minor GC。
3. 把 Eden 和正在使用的 Survivor 0 区中还活着的极少数对象，一次性复制到另一块干净的 Survivor 1 区。
4. 清空 Eden 和 Survivor 0。此时 Survivor 0 和 1 角色对调，等待下一次回收。
5. 对象每经历一次 Minor GC 还活下来，它的“年龄”就会加 1 岁。

2. 老年代（Old Generation）

存放什么：存放生命周期很长的对象。
对象怎么来的：
1. 年轻代里熬过多次 GC（默认是 15 次）依然坚强活着的对象，会被“晋升”移交到老年代。
2. 创建了体积非常巨大的对象（比如一个超大的全局字节数组），年轻代放不下，会直接放进老年代。
如何回收（Full GC / Major GC）：老年代的对象不容易死，空间也大。当老年代满了，会触发一次彻底的大回收，叫做 Full GC（或者 Major GC）。老年代清理通常使用标记 - 整理或标记 - 清除算法。

后端开发必须注意的性能隐患：STW（Stop The World）

无论是 Minor GC 还是 Full GC，在清理内存的某些阶段，为了防止清理的同时程序还在继续产生新垃圾导致账目混乱，JVM 必须强制让所有用户线程暂停。这个暂停的状态就叫 STW（Stop The World）。

Minor GC 的 STW 时间极短（通常几毫秒，无感知）。但 Full GC 的 STW 时间通常较长。如果你的后端服务器频繁发生 Full GC，前端用户就会感觉到明显的卡顿、接口响应超时，这是线上高并发系统的大忌。

现在，我们已经理解了对象在堆内存里从“出生（Eden）”到“挣扎生存（Survivor）”再到“养老（老年代）”以及被判定为垃圾并清除的整个生命周期。

掌握了内存的管理和回收，接下来我们将探讨另一个核心话题：类加载机制（即类文件是如何进入内存的）。