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一、JVM 内存区域概述

JVM 将内存划分为多个不同的区域，主要包括：

程序计数器：当前线程所执行的字节码的行号指示器。
Java 虚拟机栈：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
本地方法栈：与虚拟机栈类似，只不过是为 Native 方法服务。
Java 堆：存放对象实例，是垃圾回收的主要区域。
方法区：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

二、什么是垃圾回收

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是指 JVM 自动管理内存的一种机制。它的主要任务是识别并回收不再被程序使用的内存空间，以避免内存泄漏和提高内存的利用率。

三、如何确定垃圾

引用计数法：给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加 1；当引用失效时，计数器值就减 1。当计数器为 0 时，就认为这个对象是垃圾，可以被回收。但是这种方法无法解决循环引用的问题。
可达性分析算法：通过一系列称为 “GC Roots” 的对象作为起始点，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，则证明此对象是不可用的，即垃圾对象。

GC Roots 包括以下几种对象：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
方法区中类静态属性引用的对象。
方法区中常量引用的对象。
本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）引用的对象。

四、垃圾回收算法

标记 - 清除算法
- 原理：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。
- 缺点：标记和清除两个过程的效率都不高；会产生大量不连续的内存碎片，可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。
复制算法
- 原理：将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
- 优点：实现简单，运行高效；不会产生内存碎片。
- 缺点：将内存缩小为原来的一半，代价太高。
标记 - 整理算法
- 原理：标记过程仍然与 “标记 - 清除算法” 一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
- 优点：避免了 “标记 - 清除算法” 的碎片问题，又不像 “复制算法” 那样需要浪费一半的内存空间。
分代收集算法
- 原理：根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。
- 新生代：通常采用复制算法，因为新生代中的对象大多 “朝生夕死”，存活对象较少，复制成本低。
- 老年代：通常采用标记 - 整理算法或标记 - 清除算法，因为老年代中的对象存活率较高，没有额外的空间对它进行分配担保。

五、垃圾回收器

Serial 收集器：单线程的收集器，在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。
ParNew 收集器：Serial 收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为包括 Serial 收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与 Serial 收集器完全一样。
Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，也是使用复制算法的并行多线程收集器，它的目标是达到一个可控制的吞吐量。
Serial Old 收集器：Serial 收集器的老年代版本，单线程收集器，使用 “标记 - 整理” 算法。
Parallel Old 收集器：Parallel Scavenge 收集器的老年代版本，使用多线程和 “标记 - 整理” 算法。
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，基于 “标记 - 清除” 算法实现，整个过程分为四个步骤：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。
G1（Garbage-First）收集器：面向服务端应用的垃圾收集器，将整个 Java 堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的 Region。

六、总结

JVM 的垃圾回收机制是 Java 语言自动内存管理的核心，了解其工作原理和各种算法、收集器的特点，有助于我们在开发过程中更好地优化程序性能，避免内存泄漏等问题。同时，随着技术的不断发展，垃圾回收机制也在不断演进，我们需要持续关注和学习，以适应不同的应用场景和需求。