垃圾回收 (GC) 是 Java 自動內存管理的核心支柱。理解 GC 算法原理、演進歷程及 HotSpot 具體實現，是排查內存問題、調優 JVM 參數、編寫高性能代碼的必修課。本文系統梳理 GC 觸發原因、四大基礎算法、分代收集策略、多線程 GC 模式，並配合內存結構圖解，構建完整知識體系。
代價：GC 線程消耗 CPU 時間，可能導致應用停頓 (Stop-The-World)，需權衡吞吐量與延遲。
GC Roots (根集合)：
判定邏輯：從 GC Roots 出發向下搜索，可達路徑上的對象為存活對象，不可達對象為垃圾。
| 算法 | 核心思想 | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 標記-清除 (Mark-Sweep) | 1. 標記所有可回收對象 2. 統一清除 | 基礎算法，無需移動對象 | 1. 效率低（雙遍歷） 2. 產生大量不連續碎片 | 老年代、存活率高區域 |
| 複製 (Copying) | 內存劃分兩塊等大區域，每次用一塊，GC 時將存活對象複製到另一塊，清空已用區域 | 1. 實現簡單、無碎片 2. 分配指針碰撞，速度極快 | 內存利用率只有 50% | 新生代（存活率極低 ~2%） |
| 標記-整理 (Mark-Compact) | 標記後，將存活對象向一端移動，直接清理邊界外內存 | 1. 無碎片 2. 內存利用率高 | 需移動對象、更新引用，開銷大於複製 | 老年代、存活率高區域 |
| 標記-清除-整理 (CMS 混合模式) | 平時標記-清除，碎片超閾值時整理 | 平衡停頓與碎片 | 實現複雜 | 低延遲要求場景 |
標記-清除：
GC 前：
GC 後：
複製算法：
GC 前：
GC 後：
標記-整理：
GC 前：
GC 後：
綠色：存活對象 紅色：可回收對象 白色：未使用空間
代 特點 算法 典型收集器 新生代 對象朝生夕死，存活率低 (~2%) 複製算法 (8:1:1 Eden:S0:S1) Serial, ParNew, Parallel Scavenge 老年代 對象存活率高，無額外空間分配擔保 標記-清除 / 標記-整理 Serial Old, Parallel Old, CMS, G1, ZGC 對象生命週期流轉
- 新對象優先分配在 Eden
- Eden 滿觸發 Minor GC，存活對象 → S0
- 後續 Minor GC：Eden + S0 存活 → S1，清空 Eden+S0，角色互換
- 年齡計數器達閾值 (默認 15，CMS 6) → 晋升老年代
- 大對象 (字節數組/長字符串) 直接進老年代 (
PretenureSizeThreshold)- 動態年齡判斷：Survivor 同齡對象總大小 > Survivor 一半，直接晋升
五、漸進式 GC 技術：避免長時間 STW
1. 增量收集 / 火車算法
將老年代劃分固定大小「車廂」，每次處理一車廂。理論優雅但實現極其複雜，HotSpot 未採用。
2. 分代收集 —— 產業標準
不同代、不同時期、不同算法，將一次全堆 GC 拆解為多次局部 GC，大幅降低單次停頓。
六、多線程 GC 實現模式
| 模式 | 線程數 | STW | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 串行 (Serial) | 1 | 是 | 無線程交互開銷，單核效率高 | 無法利用多核 | 單核、小堆 (<100MB)、Client 模式 |
| 並行 (Parallel) | 多 | 是 | 多核加速，吞吐量優先 | 停頓時間長，隨堆增大而增長 | 多核、批處理、科學計算、後台任務 |
| 並發 (Concurrent) | 多 | 極短/無 | 響應時間優先，用戶線程與 GC 線程並發 | CPU 開銷大、浮動垃圾、實現極其複雜 | Web 服務、GUI、電信交換、IDE |
關鍵區別：
本文提到了 Set 接口，下一筆記將深入探討 HashSet 實現原理，揭秘它如何「零代碼」複用 HashMap 實現去重語義。
