垃圾回收

• region 的划分与大小
• 增量收集与可预测停顿
• 年轻代/老年代在 region 上的布局

G1（Garbage First）把堆划分为固定大小的 region（默认最多 2048 个，每个 region 大小由堆大小决定，1MB-32MB，为 2 的幂次）。region 是 G1 实现增量收集的基础：年轻代、老年代、Humongous（大对象）都由 region 组成，但 region 不再固定归属某代，而是动态分配。G1 追踪各 region 的垃圾占比，优先回收垃圾最多的 region（"Garbage First"），每次只收集一部分 region，从而把停顿控制在一个可预测的范围内（停顿目标，如 200ms）。通过 SATB 和 RSet 实现并发标记与跨 region 引用跟踪。

region 把"整堆"拆成"可增量处理的小单元"，让 GC 可以分段收集、控制停顿。这是 G1 相比"整堆整理"的 CMS 的关键进步，也是其停顿可预测的基础。

• 并发整理的机制
• Shenandoah 的转发指针
• ZGC 的着色指针

两者都是面向大堆、低停顿的并发 GC，核心差异在"并发压缩/移动对象"的实现方式。Shenandoah 使用"转发指针"（forwarding pointer）：对象移动时，原对象槽写入转发指针，通过额外的读屏障（load barrier）在访问时解析转发指针，把应用重定向到新位置，实现并发移动对象而不暂停。ZGC 使用"着色指针"（colored pointers）：把指针的高位（如第 42 位以上的颜色位）编码对象状态（mark、relocate、remap 等），通过读屏障根据颜色决定是否重定位。Shenandoah 的转发指针在对象本身（需额外字段），ZGC 的着色指针在引用本身（需 reserved 位，因此影响堆大小上限）。

差异本质是"移动状态存在哪里"：对象里（转发指针）vs 指针里（着色指针）。两者都靠读屏障实现并发移动，但机制与地址空间约束不同。

• 并发标记/转移/重映射
• 着色指针与读屏障
• 停顿与堆大小无关

ZGC 把 GC 的大部分工作（标记、转移、重映射）都设计为并发执行，与应用线程并行，只有极少数需要同步的步骤（如启动阶段的 root 扫描、STW 快照）才暂停，且这些暂停的时间与堆大小无关（只与线程数、root 数量相关）。通过着色指针（colored pointers）把对象状态编码进指针，配合读屏障（load barrier），应用线程在访问对象时能自动触发重定位，从而无需 STW 整理。因此即使堆达到 TB 级，暂停时间也基本恒定在 1ms 以下。

ZGC 的关键是"把与堆大小相关的 GC 工作全部并发化，只保留与堆大小无关的短停顿"，从而让停顿与堆规模解耦。这是"低延迟"GC 的核心思路。

• 三色标记（白/灰/黑）
• 写屏障类型（SATB/增量更新）
• 防止并发漏标

在并发标记（marking）中，对象被分为三色：白色（未访问）、灰色（已访问但子对象未处理完）、黑色（已访问且子对象已处理）。并发 GC 与应用线程交替执行时，应用可能修改对象引用，导致"黑色对象引用白色对象"的漏标，使得该白对象被误回收。write barrier（写屏障）在每次对象引用被写入时执行，用于维护三色不变性：SATB（Snapshot-At-The-Beginning）记录被覆盖的旧引用（保证初始快照不被破坏），增量更新（incremental update）记录新写入的引用（把目标标灰）。G1 用 SATB，CMS 用增量更新，ZGC/Shenandoah 用各自的屏障。

写屏障是"并发 GC 安全性的守护"：它把被并发修改的引用记录下来，防止标记漏掉仍存活的对象。这是并发标记正确性的关键。

• 三色定义
• 标记与清扫
• 混合写屏障

Go 使用三色标记-清扫（tri-color mark-sweep）GC：对象分为白（未被标记）、灰（标记中）、黑（已标记）。GC 从根对象出发，标记为灰，然后循环处理灰对象，把其引用的对象标灰、自身标黑，直到没有灰对象，剩下的白对象即为垃圾，被清扫回收。Go 并发标记使用写屏障（混合写屏障，插入写屏障 + 删除写屏障）保证并发下的正确性，标记与清扫与程序并发执行，减少停顿。Go GC 是并发标记-清扫，不整理对象（不移动），靠并发与分代（新版本引入）控制停顿。

三色标记把"标记"建模为"从灰到白的传播"，是 GC 的基础算法。Go 通过混合写屏障实现并发标记，在不移动对象的前提下控制停顿，是"吞吐优先 + 低延迟兼顾"的典型。

• card table 的粒度
• 跨代引用的记录
• 加速 minor GC 根扫描

HotSpot 分代 GC 中，minor GC 只回收年轻代，但老年代对象可能引用年轻代对象，因此需要扫描老年代以找到这些跨代引用作为根。为加速，HotSpot 使用 card table（卡片表）：把老年代划分为许多固定大小的卡（card，通常 512B），有一个对应的 byte 数组记录哪些卡包含指向年轻代的引用（dirty 卡）。minor GC 时只需扫描 dirty 的卡，而不必扫描整个老年代，从而大幅减少根扫描范围。写屏障在向老年代写入引用时会把对应卡标记为 dirty。注意：扫描的是"卡"而非单个对象，牺牲精度换取速度。

card table 是"按卡粒度记录跨代引用"的空间换时间优化：不用逐个对象扫描老年代，只需扫描被标记的卡，显著加速 minor GC。

• GC roots 的内容
• safepoint 机制
• JIT 与栈映射（oops）

GC roots 是 GC 可达性分析的起点，包含：栈上局部变量/参数中的引用、活动寄存器中的引用、JNI 引用、静态字段、类加载器、线程对象等。为保证能枚举所有根，GC 需要所有线程停在安全点（safepoint）：JIT 编译的代码在安全点位置插入检查点，线程运行到安全点时检查并挂起，同时在安全点记录栈上的引用位置（栈映射 oop map）。JIT 编译与内联配合：内联会改变栈帧布局，编译器必须在安全点生成精确的 oop map，记录每个位置是否为引用，使 GC 能准确遍历栈根。长期运行的方法（如循环）也会被插入安全点检查以保证及时停顿。

GC 根扫描的正确性依赖"安全点 + 栈映射"：安全点让线程停在被枚举的已知位置，JIT 生成的 oop map 让 GC 知道栈上哪些槽是引用。这是"精确 GC（accurate GC）"在 JIT 下的实现基础。

• 着色指针的位编码
• 并发标记
• 读屏障与重定位

ZGC 把指针的高位（64 位中的第 42 位以上）用于编码对象状态（称为 colored pointers），包括 mark bit、remap bit、relocate bit 等颜色位，低 42 位存放对象地址。并发标记时，GC 通过着色指针的 mark 位标记对象是否存活，标记过程与应用并发。访问对象时，读屏障（load barrier）检查指针的颜色位：若需要重定位（relocate），则通过屏障把访问重定向到新地址并更新指针。这样对象移动与标记都在并发完成，无需 STW 整理。着色指针要求堆大小受限于可用的地址位数（如 42 位 = 4TB）。

着色指针把 GC 状态"戴"在指针上，读屏障在访问时按颜色决策，从而把标记与重定位并发化。这是 ZGC 低延迟的核心，代价是限制堆大小上限。

• 分代假说的内容
• 年轻代/老年代划分
• minor/major GC

分代假说（generational hypothesis）指出：绝大多数对象存活时间很短（"朝生夕死"），只有少数对象存活很久。据此，GC 把堆划分为年轻代（young）和老年代（old）：新对象放入年轻代，年轻代频繁用小规模的 minor GC（只回收年轻代）回收大部分短命对象，代价低、频率高；少数存活对象晋升到老年代，用低频的 major/full GC 回收。这样把 GC 的绝大多数工作集中在对象密集分配又密集死亡的年轻代，提高效率、降低停顿。

分代假说是"按存活特征分而治之"：年轻代用高频率低成本回收，老年代用低频全面回收。minor/major GC 的划分正是这一假说的实践。

• 三种算法的步骤
• 碎片与停顿
• 适用场景

mark-sweep（标记-清除）：先标记存活对象，再清除未标记的垃圾对象，不移动对象，速度快但产生碎片、分配慢。mark-compact（标记-整理）：标记后把存活对象压缩到堆的一端，消除碎片但需要移动对象、停顿更长。copying（复制）：把堆分为 from/to 两块，把存活对象从 from 复制到 to，同时消除碎片且分配只需移动指针，但只利用一半空间。三者权衡：mark-sweep 快但碎片多，mark-compact 无碎片但慢，copying 高效无碎片但浪费空间。现代 GC 常组合（如新生代用 copying，老年代用 mark-compact）。

三种算法是"碎片 vs 停顿 vs 空间"的三角权衡：mark-sweep 省移动费空间，mark-compact 省空间费移动，copying 快而省碎片但浪费空间。分代 GC 按代选择不同算法。

• 分代假说的应用
• 年轻代/老年代设计
• 性能收益

HotSpot 采用分代收集，依据分代假说把堆划分为年轻代（young）和老年代（old）：年轻代放新对象，多数对象很快死亡，用复制算法进行高频、低成本的 minor GC 回收；存活对象晋升到老年代，用低频的 mark-compact 等算法进行 major GC。这样做的收益：1）GC 集中在年轻代，避免每次扫描整个堆，降低停顿；2）年轻代用复制算法无碎片且分配快；3）老年代对象少且稳定，减少 GC 频率。这是分代假说在 HotSpot 中的落地。

young/old 划分是"按对象存活时间分层"：年轻代高频低成本回收，老年代低频全面回收，优化了 GC 的吞吐与停顿。card table 等机制支撑跨代引用。

• CMS 的碎片问题
• CMS 的停顿与 CPU 开销
• G1 的可预测停顿

CMS 是并发标记-清除收集器，目标是低停顿，但存在明显缺陷：1）mark-sweep 不整理，产生大量碎片，最终可能触发降级为 serial 的 Full GC，停顿反而变长；2）并发标记阶段的 CPU 开销大，且与"浮动垃圾"（并发期间产生的垃圾，需下次回收）导致空间不足时被迫 Full GC；3）停顿不可预测。G1 用 region + 增量收集 + 可预测停顿目标，并兼顾整理，解决了 CMS 的碎片与停顿不可控问题，因此 JDK 9 起 CMS 被废弃，以 G1 为默认。

CMS 被取代的根因是"不整理导致碎片、停顿不可预测"。G1 以 region 增量收集和可预测停顿目标，在低延迟与可控性上更优，是技术演进的结果。

• 各算法步骤与特点
• 碎片、停顿、空间
• 分代中的选择

标记-清除（mark-sweep）：标记存活对象后清除垃圾，不移动，速度快但碎片多、分配慢。复制（copying）：将存活对象复制到新空间，分配只需指针移动、无碎片，但浪费一半空间。标记-整理（mark-compact）：标记后把存活对象压缩，无碎片、空间利用率高，但移动对象导致停顿长。对比核心：碎片、停顿、空间利用率三者的权衡。典型选择：新生代对象多、存活少，用复制；老年代对象少、存活多，用标记-整理（或标记-清除），平衡碎片与停顿。

三种算法各有所长，分代 GC 按"对象存活率"选择：存活率低用复制（快），存活率高用标记-整理（省空间、少移动）。这是"算法适配对象特征"的体现。

• SATB 解决并发标记漏标
• RSet 解决跨 region 引用扫描
• 写屏障记录引用

G1 的 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）解决并发标记的正确性问题：在标记开始时取一个快照，通过写屏障记录所有被覆盖的旧引用，保证标记期间即使应用修改引用，也不会漏掉标记开始时仍存活的对象（防止漏标）。RSet（Remembered Set）解决跨 region 引用问题：每个 region 维护一个 RSet，记录有哪些其他 region 引用本 region 的对象，这样收集某个 region 时只需扫描其 RSet 中的引用，无需扫描整个堆。跨 region 引用通过写屏障在写入时记录到目标 region 的 RSet。SATB 保证正确性，RSet 保证增量收集的效率。

两者是 G1 相辅相成的两大机制：SATB 保证并发标记不误回收存活对象，RSet 让增量收集只扫描相关 region。都依赖写屏障维护。

• 循环引用处理
• 停顿时间
• 吞吐

引用计数（ARC/shared_ptr）：每次引用变化立即增减计数，计数归零即时释放，对象释放即时、可预测、无长停顿，但无法处理循环引用（需 Weak 打破），且每次赋值都有计数操作开销，在高频引用场景略增开销。追踪式 GC（Java/Go）：从根可达性分析整个对象图，能自动处理循环引用（不可达即回收），但需要遍历对象图，可能产生停顿（虽然现代 GC 努力并发化），且回收是延迟的（GC 触发时才回收）。吞吐上，引用计数分配释放即时、无全局扫描，但计数操作频繁；追踪式 GC 有周期性扫描开销但可批处理。差异本质：即时 vs 延迟、按引用处理 vs 按图处理。

引用计数"局部、即时、难处理环"，追踪式 GC"全局、延迟、能处理环"。选择取决于对延迟确定性、循环引用与吞吐的权衡。

• 并发标记的安全性
• 写屏障与三色
• 栈的根扫描

Go GC 在并发标记时，通过写屏障（混合写屏障）维护三色不变性，防止并发修改引用导致漏标，从而保证不会回收仍被引用的对象，避免悬空指针。同时，Go 在标记栈根时，通过让线程在安全点停顿并扫描栈，确保根集合准确；对于栈上对象，Go 采用"栈扫描时是 STW 或存活/惰性"策略，确保栈上引用不被遗漏。由于 Go GC 是追踪式的（从根可达性判断），不会像手动释放那样产生悬空指针——只要对象被引用，就不会被回收。三色标记保证"黑色对象不会引用白色对象"，从根可达的对象必然存活。

Go 避免悬空指针靠"追踪式 GC + 并发正确性"：可达性分析保证存活对象不被回收，写屏障保证并发标记不破坏可达性。这是 GC 语言相对手动管理内存的安全优势。

• 分代与算法适配
• 新生代复制
• 老年代标记整理

分代 GC 依据分代假说，对不同代采用不同算法：新生代对象存活率低（多数短命），用复制（copying）算法，把存活对象复制到另一区域，分配只需移动指针、无碎片、高效，适合高死亡率的年轻代。老年代对象存活率高，用标记-整理（mark-compact）或标记-清除，因为复制代价高（存活对象多，复制开销大），标记-整理在消灭碎片的同时避免大量复制。三色标记（mark 阶段）是标记算法的实现，用于老年代的标记步骤。整体上，分代 GC 通过"按代选算法"结合三色标记，兼顾吞吐与碎片。

算法选择依据"存活率"：存活率低用复制（快、无碎片），存活率高用标记整理（省空间、少移动）。三色标记是标记阶段的基础，分代是对算法的最优分配。

• GC 停顿的来源
• 并发标记
• 读写屏障的作用

GC 停顿（stop-the-world）源于标记、整理、根扫描等需要与应用线程同步的步骤。为减少停顿，现代 GC 采用并发标记：标记阶段与应用线程并发执行，通过读写屏障（write barrier 维护三色、read barrier 处理对象移动）保证并发安全。并发标记让大部分标记工作不阻塞应用，读写屏障在访问/写入时做轻量同步，使 GC 只在必要的短停顿点（如根扫描、进入并发阶段）暂停。这样用屏障的微开销换取整体停顿的降低，实现低延迟。

并发 GC 的本质是"用读写屏障的轻量开销换取应用停顿的减少"：屏障让标记/移动与应用并发，只保留必要的短停顿。这是低延迟 GC 的核心设计。