JVM 垃圾回收算法有哪些？

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JVM 垃圾回收算法有哪些？

结论先行：垃圾回收只有三种基础算法——标记-清除（mark-sweep）、复制（copying）、标记-整理（mark-compact），其余都是它们的组合与并发化。HotSpot 在此基础上用分代收集（generational collection）把堆切成新生代与老年代，分别套用最合适的算法；并发收集器再叠加三色标记 + 写屏障，把标记过程摊到应用运行期间。

一、三种基础算法

算法	步骤	优点	缺点	典型使用者
标记-清除	标记存活 → 清除垃圾	实现简单，不需要移动对象	产生内存碎片，标记与清除效率随堆增大而下降	CMS
复制	把存活对象复制到另一半空间	无碎片，分配只需移动指针	空间利用率低，存活率高时复制成本大	新生代（Serial/ParNew/Parallel Scavenge）
标记-整理	标记存活 → 把存活对象向一端移动	无碎片，空间利用率高	移动对象要更新所有引用，停顿长	Serial Old、Parallel Old

标记-清除：
  [A][ ][B][ ][ ][C]   →  [A][ ][B][ ][ ][C]   空隙留在原地，大对象可能分配失败

复制（Eden + 两个 Survivor）：
  [A][B][C][ 垃圾 ][ ]  →  存活对象整体搬到 to 区，from 区整块清空

标记-整理：
  [A][ ][B][ ][C][ ]   →  [A][B][C][ ][ ][ ]   存活对象左移，尾部整块回收

二、分代收集：按对象寿命分区

区域	特点	采用的算法	原因
新生代	朝生夕死，存活率低于 10%	复制算法	存活少，复制成本低；分代假说成立
老年代	存活率高，对象大	标记-清除或标记-整理	存活率高时复制不划算，需要碎片控制

跨代引用用**卡表（card table）记录，老年代对象指向新生代的引用被标记为脏卡，Young GC 时只扫脏卡而不必遍历整个老年代，这就是记忆集（remembered set）**的用途。

三、并发标记的两种屏障

方案	屏障类型	记录内容	使用者
增量更新	写后屏障	黑色对象新增的引用	CMS
原始快照 SATB	写前屏障	被删除的旧引用	G1、Shenandoah

两者的差别在于「重新标记阶段要重新扫描谁」：增量更新扫新增引用，SATB 扫删除引用所指向的对象。SATB 的额外收益是新对象一律视为存活，直接分配到标记结束。

四、用参数验证算法差异

# 新生代复制算法：Eden 与 Survivor 的比例、晋升年龄阈值
java -XX:+UseSerialGC -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=15 -jar app.jar

# 老年代标记-整理：Serial Old / Parallel Old
java -XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC -jar app.jar

# 标记-清除 + 定期整理：CMS 的碎片治理
java -XX:+UseConcMarkSweepGC \
     -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5 \
     -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection \
     -jar app.jar

CMSFullGCsBeforeCompaction=5 表示执行 5 次不压缩的 Full GC 后做一次带整理的 Full GC，用停顿换碎片空间。

五、常见追问

追问	回答要点
为什么新生代用复制算法	存活率低，复制量小；代价是浪费一个 Survivor 空间，但整体收益更高
复制算法一定要两倍空间吗	不需要，HotSpot 用 Eden + 两个 Survivor（默认 8:1:1），只浪费 10%
标记-清除的碎片怎么解决	定期做标记-整理，或换用 G1 这类按 Region 回收、自带整理的收集器
三色标记属于哪种算法	它是标记阶段的实现手段，服务于标记-清除/整理，不是独立的回收算法
分代收集会被淘汰吗	会淡化。ZGC、Shenandoah 不分代（ZGC 在 JDK 21 引入分代），说明分代只是当前性价比最高的选择

六、并发带来的两个副产品

现象	产生原因	影响
浮动垃圾（floating garbage）	标记完成后、清除进行时，用户线程又产生了新垃圾	本轮收不掉，只能留到下一轮，所以收集器要预留空间
并发模式失败（concurrent mode failure）	预留空间被耗尽，应用分配速率超过回收速率	收集器退化为单线程 Full GC，停顿从毫秒级变成秒级

对策是给收集器留出余量：CMS 用 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 提前启动，G1 用 -XX:G1ReservePercent=10 预留 Region。余量越大越安全，但可用堆越小，这本身就是吞吐与停顿的权衡。

小结

三种算法各有取舍：清除省空间但留碎片，复制快但费空间，整理干净但停顿长。分代是策略层面的组合，三色标记与写屏障是并发化的手段，答题时把这几层分清就不会乱。

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