JVM 垃圾回收（GC）

一、第一性原理层（Why）

1. 为什么需要垃圾回收

根本问题：

程序如何判断一块内存是否还“有价值”？

在现代高级语言中：

如果完全依赖人工释放：

结论：

垃圾回收的本质，是把“内存生命周期管理”从业务逻辑中剥离，交由运行时系统统一治理。

2. GC 的本质定义

无论实现如何变化，所有 GC 都在解决同一个问题：

在不破坏程序语义的前提下，找出仍然可能被使用的对象，其余内存可以被安全重用。

抽象为两个不可分割的子问题：

  1. **存活对象发现（Live Object Discovery）**
  2. **内存空间重用（Space Reclamation & Reuse）**

二、理论模型层（What）

3. 对象“是否存活”的理论判定

3.1 引用计数模型（被否定的方案）

思想：

被否定的根本原因：

JVM 放弃该方案，并非性能问题，而是正确性难以保证。

3.2 可达性分析模型（GC 的理论基石）

核心思想：

对象是否存活，不取决于“被引用次数”，而取决于是否仍可被程序访问。

模型定义：

这是 JVM GC 的第一性理论基础。

4. GC Roots 的哲学含义

GC Roots 不是随意选择，而是满足一个原则：

只要程序还能“直接使用”的对象，就必须作为根。

因此包括：

5. 引用强度模型（对象生存策略）

引用不是二元的（有 / 无），而是一个策略梯度：

引用类型本质定位设计目的
强引用必须存活程序正确性
软引用可牺牲内存弹性（缓存）
弱引用不阻止回收生命周期绑定
虚引用仅做通知资源回收协调

引用模型的本质，是让程序参与“内存价值排序”。

三、分代与对象行为假说（Why + What）

6. 分代收集的理论前提

JVM 并非随意分代，而是基于三条经验假说：

  1. **弱分代假说**：绝大多数对象朝生夕灭
  2. **强分代假说**：活得越久的对象越难死亡
  3. **跨代引用假说**：跨代引用远少于同代引用

GC 分代不是优化技巧，而是对象行为统计学。

7. 分代的抽象角色划分

代本质角色回收目标
新生代高死亡率区快速回收
老年代高稳定区减少频率

分代的真正目的：

用不同策略处理不同“生存概率”的对象。

四、核心回收算法（How）

8. 三大基础算法的哲学权衡

8.1 标记-清除（Mark-Sweep）

适用场景：

8.2 标记-复制（Mark-Copy）

本质适配：

高死亡率区域（新生代）

8.3 标记-整理（Mark-Compact）

哲学权衡：

停顿时间 vs 吞吐量

五、并发 GC 的不变量与工程约束

9. 为什么并发 GC 如此困难

根本冲突：

GC 在“看对象图”，而程序在“改对象图”。

10. 三色标记不变量

颜色含义
白未访问（可能垃圾）
灰已访问，未扫描完
黑已完全扫描

并发正确性的核心不变量：

黑对象不能直接引用白对象

11. 两大并发修正思想

思想代表本质
增量更新CMS关注“新增引用”
原始快照（SATB）G1 / ZGC固定起始视图

六、HotSpot 架构支撑机制（How）

12. Safepoint / Safe Region

GC 不是随时可做的，而必须在引用关系稳定点执行。

Safepoint 的本质：

13. OopMap

OopMap 解决的问题不是“快”，而是：

如何在暂停时准确知道哪里是引用。

14. 记忆集与卡表

设计目标：

避免全堆扫描老年代。

卡表是：

七、垃圾收集器 = 策略组合体

15. 衡量 GC 的三大指标

指标含义
吞吐量程序执行效率
延迟停顿时间
内存占用运行成本

GC 设计是典型的不可能三角问题。

16. 典型收集器的设计定位

收集器核心追求代价
Serial极简长停顿
Parallel吞吐延迟不可控
CMS低延迟碎片
G1可预测实现复杂
ZGC极低延迟架构复杂

八、现代 GC 的演进趋势

17. 演进主线

对象规模 ↑ → 堆容量 ↑ → 人类容忍停顿 ↓

因此：

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