第1章 GC基础概念：垃圾回收原理、分代与常见算法
各位好，我是你们的老朋友。做后台开发这么多年，我遇到过最头疼的问题之一就是GC抖动和内存泄漏。记得有一次线上服务每隔几分钟就卡一下，查了半天才发现是GC参数没调好。从这一章开始，我们先把地基打牢——聊聊垃圾回收的基本原理、分代收集以及三种经典算法。
1.1 垃圾回收到底在回收什么？
先说个最基础的问题：哪些对象算是“垃圾”？很简单，程序运行过程中，那些再也无法被引用的对象就是垃圾。比如你在方法里 new 了一个临时对象，方法执行完就没人用它了，那它就该被回收。
JVM 怎么判断对象是不是“活着”？主要靠可达性分析。从一组称为“GC Roots”的根对象出发（比如栈帧中的局部变量、静态变量、JNI引用等），顺着引用链往下走。能到达的对象就是活的，到不了的就等着被清理。
1.2 分代收集：为什么要把堆分成两代？
其实是个很朴素的观察——大部分对象“朝生夕死”。你在for循环里new的临时对象，往往很快就不可达了。而少部分对象会长期存活，比如缓存对象、全局配置。所以JVM把堆分成新生代（Young）和老年代（Old），分别用不同的策略处理。
- 新生代：对象刚出生的地方。GC 频率高，但每次收集快。占堆的大约1/3。
- 老年代：经过多次GC还活着的对象会晋升到这里。GC 频率低，但单次开销大。
分代的核心思想：对不同特性的对象用不同的算法，达到吞吐量和延迟的平衡。你看，设计者还是挺聪明的。
| 分代 | 特点 | GC频率 | 常见算法 |
|---|---|---|---|
| 新生代 | 对象多，死得快 | 高（Minor GC） | 复制算法 |
| 老年代 | 对象少，常存活 | 低（Major GC / Full GC） | 标记-清除 / 标记-整理 |
1.3 三种经典GC算法，各自什么脾气？
1.3.1 标记-清除（Mark-Sweep）
算法分两步：先标记所有可达对象，然后清理掉没被标记的。听起来简单，但有两个大问题：
- 产生内存碎片 —— 清理后的空间不连续，下次分配大对象时可能找不到足够大的连续块，导致提前触发GC。
- 效率不稳定 —— 随着对象越来越多，标记和清理的时间都会增长。
我在一个日志系统里见过被碎片坑惨的案例：老年代空闲空间还有40%，但因为碎片严重，一个大对象分配失败，直接触发了Full GC。嗯，标记-清除虽然实现简单，但生产环境很少单独用。
1.3.2 复制算法（Copying）
把可用内存分成两块，每次只使用其中一块。GC时，把存活的对象复制到另一块，然后清空当前块。完美解决碎片问题，而且效率高（因为大多数对象都是死的，复制工作少）。
缺点也很明显：浪费了一半内存。不过，新生代的对象死亡率高，浪费一点可以接受。所以HotSpot的新生代默认采用这种算法，并且把空间划分为一个较大的Eden区和两个较小的Survivor区，比例通常是8:1:1。这样实际浪费只有10%。
1.3.3 标记-整理（Mark-Compact）
结合了标记-清除和复制算法的优点。先标记，然后把存活对象向一端移动，整理成连续空间，再清理掉边界之外的内存。既有复制算法消除碎片的优点，又不需要额外内存。
但整理阶段需要移动大量对象，还要更新所有引用，停顿时间会比较长。所以，标记-整理主要用在老年代，而且通常配合低延迟的垃圾回收器（比如CMS的并发标记阶段之后做一次整理）。我参与过一个金融交易系统，要求GC停顿不能超过50ms，当时我们就是用的G1收集器（底层就是标记-整理思想），配合调优后效果不错。
| 算法 | 优点 | 缺点 | 适用代 |
|---|---|---|---|
| 标记-清除 | 实现简单，不移动对象 | 内存碎片，效率不稳定 | 老年代（很少单独用） |
| 复制 | 无碎片，效率高 | 浪费空间（新生代可接受） | 新生代 |
| 标记-整理 | 无碎片，内存利用率高 | 移动对象慢，停顿大 | 老年代 |
1.4 本知识体系一览
下面是本章核心概念的框架图，把GC原理、分代和算法串在一起。你可以把它当作一张“地图”，后面讲具体收集器时，会反复引用这些基础。
1.5 本章小结
GC的基础就三个事：怎么判断垃圾、怎么分代、怎么回收。不用急着背算法细节，先理解为什么需要分代、三种算法各自对应的场景。下一段路会更精彩——我们会把这些概念用到线上故障分析中。嗯，先消化今天的内容，我们后面聊。