在面试中，JVM 垃圾收集机制（GC）是一个高频考点，涵盖垃圾回收算法、收集器及调优策略等。以下是 JVM 垃圾收集机制的重点和常见问题：

1. JVM 垃圾回收的基本概念

1.1 什么是垃圾？

垃圾指的是程序运行过程中不再被引用的对象，JVM 需要回收这些对象以释放内存。

1.2 JVM 内存回收范围

垃圾回收主要发生在堆和方法区：

  • 堆：分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
  • 方法区：包括元空间（Metaspace），存储类元信息。

2. 垃圾回收算法

2.1 标记-清除算法 (Mark-Sweep)

  • 过程：
    1. 标记：标记出所有存活的对象。
    2. 清除：回收未被标记的对象。
  • 缺点：
    • 空间碎片化严重。
    • 标记和清除效率较低。

2.2 复制算法 (Copying)

  • 过程：
    1. 将存活对象从一块内存区域复制到另一块。
    2. 清空原区域。
  • 优点：
    • 无空间碎片。
    • 分配内存速度快。
  • 应用：年轻代。

2.3 标记-整理算法 (Mark-Compact)

  • 过程：
    1. 标记存活对象。
    2. 将存活对象移动到内存的一端。
    3. 清理未被标记的对象。
  • 优点：减少碎片。
  • 应用：老年代。

2.4 分代收集算法 (Generational GC)

  • 原理：
    • 对象按生命周期分代处理，年轻代（GC 频繁）与老年代（GC 不频繁）使用不同算法。
  • 应用：
    • 年轻代使用复制算法。
    • 老年代使用标记-整理或标记-清除算法。

3. JVM 垃圾回收器

3.1 Serial 收集器

  • 特点：单线程，适合单核 CPU 和小型应用。
  • 优点：简单高效。
  • 缺点：GC 期间会暂停所有线程（STW）。

3.2 Parallel 收集器

  • 特点：多线程收集，适合多核环境。
  • 优点：吞吐量高。
  • 缺点：可能导致较长的 STW。

3.3 CMS (Concurrent Mark-Sweep)

  • 特点：低延迟，适合对响应时间敏感的应用。
  • 步骤：
    1. 初始标记：标记 GC Roots 直接引用的对象。
    2. 并发标记：标记所有存活对象。
    3. 重新标记：修正并发标记期间产生的引用变化。
    4. 并发清理：回收垃圾对象。
  • 缺点：
    • 空间碎片化。
    • CPU 资源消耗大。

3.4 G1 收集器 (Garbage First)

  • 特点：面向服务端，目标是低延迟和高吞吐。
  • 区域划分：将堆划分为多个相等的区域（Region）。
  • 优点：
    • 可预测的停顿时间。
    • 减少碎片。
  • 步骤：
    1. 初始标记。
    2. 并发标记。
    3. 最终标记。
    4. 筛选回收（根据回收收益优先回收垃圾多的区域）。

4. 常见面试问题

4.1 为什么需要分代垃圾回收？

  • 对象生命周期的不同决定了 GC 策略的差异：
    • 年轻代对象生命周期短，采用高效的复制算法。
    • 老年代对象生命周期长，采用标记-整理算法。

4.2 如何判断对象是否可以被回收？

  • 引用计数法：简单但无法处理循环引用。
  • 可达性分析：从 GC Roots 开始遍历，无法到达的对象被视为垃圾。

4.3 什么是 STW（Stop-The-World）？

  • 定义：GC 过程中暂停所有应用线程。
  • 影响：延迟增加，用户体验下降。
  • 缓解方式：使用并发或并行收集器（如 CMS、G1）。

4.4 G1 和 CMS 的区别？

  • G1：
    • 将堆划分为小区域。
    • 自动选择收益最高的区域进行回收。
    • 减少碎片，支持停顿时间可预测。
  • CMS：
    • 标记-清除算法。
    • 并发回收但会产生碎片。

4.5 如何通过 JVM 参数调优 GC？

  • 常用参数： -Xms512m # 设置堆的初始大小 -Xmx1024m # 设置堆的最大大小 -XX:+UseG1GC # 启用 G1 垃圾收集器 -XX:MaxGCPauseMillis=200 # 设置最大 GC 停顿时间

4.6 GC 日志的分析

通过参数启用 GC 日志并分析：

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log

示例日志：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 512K->128K(1024K)] 512K->384K(2048K), 0.001 secs]
  • 解释：
    • Young GC：PSYoungGen 表示年轻代收集器。
    • 回收前后大小：512K->128K。
    • 堆总大小变化：512K->384K。

5. 总结和建议

  • 理解核心概念：GC 的目标、算法及 JVM 内存结构。
  • 熟悉常见收集器：掌握各收集器的优缺点及适用场景。
  • 掌握调优工具：如 GC 日志分析和 JVisualVM。
  • 多实践：通过调试和调优真实项目积累经验。

如果你希望详细了解某个垃圾收集器或调优案例，可以进一步深入探讨！