#垃圾回收算法

候选人小孙在面试字节 P6 时，面试官问道：

"JVM 有哪些垃圾回收算法？"

小孙说："有标记-清除、复制、标记-整理..."面试官追问："标记-清除有什么缺点？"

小孙说："会产生内存碎片..."面试官继续追问："为什么年轻代用复制算法而老年代用标记-整理？"

小孙答不上来...

#一、核心问题：垃圾回收算法 🔴

#1.1 问题拆解

第一层：四种算法（有哪些？）
  "JVM 使用的四种 GC 算法是什么？"
  考察点：标记-清除/复制/标记-整理/分代收集

第二层：原理与优缺点（怎么工作？）
  "每种算法的原理是什么？优缺点是什么？"
  考察点：内存效率、碎片、效率

第三层：分代策略（怎么组合？）
  "为什么年轻代用复制算法而老年代用标记-整理？"
  考察点：对象存活率、分代假说

#1.2 ❌ 错误示范

候选人原话 A："标记-清除是最常用的算法。"

问题诊断：标记-清除有内存碎片问题，通常用于老年代的 CMS（并发标记-清除）。

候选人原话 B："复制算法浪费一半空间。"

问题诊断：复制算法的空间利用率取决于对象存活率。年轻代 80% 的对象朝生夕死，存活率极低，所以复制算法在年轻代非常高效。

#1.3 标准回答

#P5 级别：四种基础算法

1. 标记-清除（Mark-Sweep）：

graph TD
    A[标记阶段] --> B[清除阶段]
    A -->|可达对象| C[标记的对象]
    A -->|不可达对象| D[未标记的对象]
    D -->|清除| E[空闲内存]
    C -->|保留| F[存活对象]
    G[碎片化的内存]

步骤：先标记所有可达对象，再清除所有未标记对象。

缺点：产生内存碎片，分配速度慢。

2. 复制算法（Copying）：

将内存分为两块，每次只使用一块。GC 时，将存活对象复制到另一块，然后清除当前块。

优点：无碎片，分配简单（移动指针）。

缺点：空间利用率低（50%）。

3. 标记-整理（Mark-Compact）：

先标记存活对象，然后将所有存活对象向一端移动，清理边界外的内存。

优点：无碎片，空间利用率高。

缺点：移动对象成本高（需要更新引用）。

#P6 级别：分代策略

为什么年轻代用复制算法？

根据弱分代假说：大多数对象朝生夕死。年轻代 80%~90% 的对象在第一次 Minor GC 时就被回收，存活对象很少，复制开销小。

年轻代的 Survivor 区设计就是复制算法的应用：

graph TD
    E[Eden 区] -->|Minor GC| S0[Survivor S0<br/>存活对象]
    S0 -->|下一次 Minor GC| S1[Survivor S1]
    S1 -->|下一次 Minor GC| O[老年代]
    O -->|年龄达到阈值| O

为什么老年代用标记-整理？

老年代对象存活率高（大多数对象会活很久），复制算法的复制开销太大（每次需要复制大量对象）。

老年代使用标记-整理算法（或标记-清除 + 整理）：

区域	GC 算法	原因
年轻代	复制算法	对象存活率低，复制开销小
老年代	标记-整理	对象存活率高，复制开销大

#P7 级别：现代 GC 算法的演进

CMS（Concurrent Mark Sweep）：

CMS 是一种并发的标记-清除算法，目的是减少停顿时间：

graph TD
    A[初始标记<br/>Stop-The-World] --> B[并发标记<br/>用户线程运行]
    B --> C[重新标记<br/>Stop-The-World]
    C --> D[并发清除<br/>用户线程运行]

    style A fill:#ff6b6b
    style C fill:#ff6b6b

G1（Garbage First）：

G1 将堆划分为多个大小相等的 Region（通常是 1MB），使用标记-整理算法。G1 的优势是可预测的停顿时间（通过 -XX:MaxGCPauseMillis=200 设置）。

ZGC（Z Garbage Collector）：

ZGC 使用着色指针（Colored Pointers）和读屏障，实现了停顿时间 < 1ms 的目标，不分代，全堆并发回收。

【面试官心理】 这道题我能问到 P7 级别，是因为现代 GC 算法的演进涉及了并发优化、停顿时间控制等多个维度。能说清 CMS 的并发阶段和 G1 的停顿时间可预测性的候选人说明他对现代 GC 设计有了解。

#1.4 追问升级

追问：标记阶段和并发标记的区别？

标记阶段（Stop-The-World）：JVM 停止所有应用线程（Stop The World），进行 GC Roots 的可达性分析。

并发标记：应用线程和 GC 线程同时运行，GC 线程追踪引用变化。优点是不停顿，缺点是需要处理并发修改（浮动垃圾）。

#二、生产避坑 🟡

#2.1 CMS 的内存碎片问题

CMS 使用标记-清除，不整理内存。长期运行后会产生大量内存碎片。当碎片过多时，CMS 会触发 Full GC（Serial Old） 进行压缩，停顿时间很长。

#2.2 G1 的 Region 设计

G1 将堆分为多个 Region，每个 Region 可以是 Eden/Survivor/Old/Humongous。Humongous 区用于超过 Region 50% 的大对象。