JVM 調優總結（四）：垃圾回收面臨的三大核心問題

問題一：如何區分垃圾？

引用計數法（已廢棄）

對象頭記錄引用計數，引用+1，釋放-1，計數為 0 即垃圾。**致命缺陷：無法處理循環引用**（A→B, B→A，計數永不為 0）。

可達性分析算法（主流）

從 **GC Roots** 出發，沿引用鏈遍歷，**可達對象 = 存活，不可達 = 垃圾**。

GC Roots 包含：

1. **虛擬機棧**中引用的對象（局部變量表）。
2. **方法區**中類靜態屬性/常量引用的對象。
3. **本地方法棧** (JNI) 引用的對象。
4. **同步鎖** 持有的對象。
5. **活躍線程** 對象本身。

本質是 **標記-清除** 思想的起點：以棧幀為根構建對象樹，樹上對象存活，其餘可回收。

問題二：如何處理內存碎片？

對象大小不一、生命週期不同 → 回收後留下不連續空閒塊 = **碎片**。

**新生代用複製**（存活少、效率高）、**老年代用標記-整理/並發標記-清除+定期壓縮**。

問題三：對象創建與回收的並發矛盾

• **應用線程** = 內存分配器（不斷 new Object）。
• **GC 線程** = 內存回收器（不斷回收垃圾）。
• **矛盾**：一邊分、一邊收，若不暫停應用，引用關係瞬息萬變，無法構建一致的對象圖。

Stop-The-World (STW) 方案

**暫停所有應用線程** → GC 獨佔堆 → 掃描/回收 → 恢復應用。
**優點**：實現簡單、結果準確。
**缺點**：**堆越大、停頓越長** → 大堆 (＞4GB) 停頓達秒級，違背實時性。

並發/增量 GC 方案

• GC 線程與應用線程**並發運行**（CMS、G1、ZGC、Shenandoah）。
• **挑戰**：
  1. **三色標記** + **寫屏障** 維護並發一致性。
  2. **浮動垃圾** 預留空間。
  3. **碎片難整理**（CMS 痛點）。
  4. 算法複雜度指數級上升，吞吐量下降。

總結

GC 核心三問 —— **識別垃圾 (可達性)、清理碎片 (複製/整理)、協調並發 (STW vs 並發)** —— 貫穿從 Serial 到 ZGC 的所有演進。理解這三個問題的權衡，是調優與架構選型的指南針。