Java JVM 垃圾回收器（二）：现代垃圾回收器 之 CMS 和 G1

日月星辰Ace
11 阅读26分钟

经典垃圾回收器和现代垃圾回收器

CMS 及以后的垃圾回收器被称为“现代垃圾回收器”，CMS 之前的通常称为“传统垃圾回收器”或“经典垃圾回收器”。

为什么这样区分？

1. 并发与低停顿
  • 传统垃圾回收器（如 Serial GC、Parallel GC）在回收时会长时间 Stop-The-World（STW），所有应用线程暂停，影响响应速度。
  • 现代垃圾回收器（从 CMS 开始，如 CMS、G1、ZGC、Shenandoah）引入了并发标记、并发清理等机制，GC 线程和应用线程可以同时工作，大大降低了停顿时间，提升了应用的响应性。
2. 适应多核和大堆
  • 现代 GC 更好地支持多核 CPU 和大内存堆，能在大规模服务端场景下保持良好性能。
3. 更智能的算法
  • 现代 GC 引入了三色标记法、SATB、分区回收、预测停顿等更智能的算法和机制，能更好地平衡吞吐量与延迟。

总结

  • CMS 之前：Serial GC、Parallel GC，称为“传统”或“经典”垃圾回收器，特点是全停顿、简单高效但不适合低延迟场景。
  • CMS 及以后：CMS、G1、ZGC、Shenandoah，称为“现代垃圾回收器”，特点是并发、低停顿、适合大堆和多核环境。

本质区别：
现代垃圾回收器的目标是降低应用停顿时间，提高响应性和可扩展性，而传统垃圾回收器更关注实现简单和吞吐量。

CMS GC（Concurrent Mark Sweep，并发标记清除 GC）

一、什么是 CMS GC？

CMS GC（Concurrent Mark Sweep）是 Java 早期主流的低停顿垃圾回收器，主要用于老年代（Old Generation） 。
它的目标是最小化 GC 停顿时间，提升应用的响应性，适合对延迟敏感的服务端应用。

  • 启用参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC
  • 新生代通常配合 ParNew GC（并行复制算法）

二、运行机制和原理

CMS GC 的老年代回收过程分为四个主要阶段：

1. 初始标记（Initial Mark）

  • Stop-The-World，暂停所有应用线程。
  • 只标记从 GC Roots 直接可达的对象。
  • 时间很短。

2. 并发标记（Concurrent Mark）

  • 与应用线程并发执行。
  • 从初始标记的对象出发，遍历整个对象图，标记所有可达对象。
  • 这一步不会暂停应用线程。

3. 重新标记（Remark）

  • Stop-The-World，暂停所有应用线程。
  • 由于并发标记阶段应用线程还在运行，可能有新引用关系产生，所以需要重新扫描并补充标记。
  • 采用多线程并行，时间较短。

4. 并发清除（Concurrent Sweep）

  • 与应用线程并发执行。
  • 清理所有未被标记的对象，回收内存空间。
  • 这一步不会暂停应用线程。

三、CMS GC 的特点

  • 低停顿：只有初始标记和重新标记阶段会短暂 Stop-The-World，大部分回收过程与应用并发进行。
  • 并发回收：GC 线程和应用线程同时工作，减少长时间停顿。
  • 标记-清除算法：不会移动对象，回收后可能产生内存碎片。

四、常见问题与优化

1. 内存碎片

  • CMS 采用标记-清除算法，不整理内存，可能导致老年代出现大量碎片，分配大对象时失败。
  • 可以通过 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 让 Full GC 时整理内存，但会有较长停顿。

2. 并发模式失败（Concurrent Mode Failure）

  • 如果在并发清除阶段，老年代空间被耗尽，JVM 会退回到 Serial Old GC（单线程标记-整理），产生长时间停顿。
  • 可通过 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 提前触发 CMS GC，减少并发模式失败概率。

3. 浮动垃圾（Floating Garbage）

  • 并发标记和清除阶段，应用线程可能新建对象，这些对象不会被本次 GC 回收，只能等下次 GC。

五、常用参数

  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用 CMS GC。
  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75：老年代使用率达到 75% 时触发 CMS GC。
  • -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：Full GC 时整理内存，减少碎片。
  • -XX:ParallelCMSThreads=N：设置并发标记/清除线程数。

六、适用场景

  • 对响应时间要求高、希望减少 GC 停顿的服务端应用（如 Web 服务、在线交易系统等）。
  • 不适合频繁分配大对象、老年代空间紧张的场景。

七、总结

  • CMS GC 是一种以低停顿为目标的老年代垃圾回收器，采用并发标记-清除算法，大部分回收过程与应用线程并发进行。
  • 优点是停顿短，缺点是可能产生内存碎片和并发模式失败。
  • 适合对延迟敏感的服务端应用，但已被 G1 GC 等更先进的回收器逐步取代。

ParNew 垃圾回收器

ParNew 是专门为配合 CMS 老年代回收器而设计的新生代垃圾回收器。它和 CMS 一起使用时，负责新生代的垃圾回收。

一、什么是 ParNew GC？

  • ParNew GC 是新生代的并行（多线程）垃圾回收器，本质上是 Serial GC 的多线程版本。
  • 主要用于配合 CMS GC，因为 CMS 只能和 ParNew 或 Serial GC 搭配，不能和 Parallel Scavenge（Parallel GC）搭配。

二、ParNew 的运行机制和原理

1. 分代结构

  • 新生代分为 Eden 区和两个 Survivor 区（From、To），和其他新生代 GC 一样。

2. 复制算法（Copying）

  • ParNew 采用复制算法：

    • 大部分新对象分配在 Eden 区。
    • 当 Eden 区满时，触发 Minor GC。
    • 存活对象从 Eden 和 From Survivor 区复制到 To Survivor 区，年龄增加，达到阈值后晋升到老年代（由 CMS 管理）。
    • GC 结束后，From/To 区角色互换。

3. 多线程并行回收

  • ParNew 支持多线程（通过 -XX:ParallelGCThreads 设置线程数，默认与 CPU 核心数相关）。
  • 多个 GC 线程同时参与对象标记、复制和清理，大大提升了新生代回收效率，尤其在多核环境下。

4. Stop-The-World

  • ParNew GC 期间，所有应用线程都会被暂停（Stop-The-World），只有 GC 线程在工作。

三、ParNew 的优缺点

优点

  • 多线程并行，回收速度快，适合多核服务器。
  • 与 CMS GC 完美配合，是 CMS 唯一支持的多线程新生代回收器。

缺点

  • 只能配合 CMS 使用，不能和 Parallel GC（吞吐量优先 GC）一起用。
  • 停顿时间依然存在，不适合极低延迟场景。

四、常用参数

  • -XX:+UseParNewGC：启用 ParNew GC（通常和 -XX:+UseConcMarkSweepGC 一起用）。
  • -XX:ParallelGCThreads=N：设置 GC 线程数。

五、适用场景

  • 需要低停顿、对响应时间敏感的服务端应用，且老年代用 CMS GC。
  • 多核服务器环境。

六、总结

  • ParNew GC 是新生代的多线程并行回收器，采用复制算法，专为配合 CMS 老年代回收器设计。
  • 适合多核、低延迟需求的服务端应用。
  • 现代 JVM 推荐使用 G1、ZGC 等更先进的回收器，CMS/ParNew 已逐步被淘汰。

G1 GC（Garbage First GC）

一、什么是 G1 GC？

G1 GC（Garbage First GC）是 Oracle HotSpot JVM 推出的面向服务端、低停顿、高吞吐量的垃圾回收器。
它的设计目标是可预测的低停顿时间，适合大堆内存和对响应时间有要求的应用。

  • JDK9 及以后，G1 GC 成为默认垃圾回收器。
  • 启用参数：-XX:+UseG1GC

二、G1 GC 的核心原理

1. 分区（Region-based）管理堆内存

  • G1 GC 将整个堆划分为多个大小相等的Region（区域），每个 Region 一般为 1~32MB。
  • 新生代、老年代不再是物理连续的大块空间，而是由若干 Region 组成的逻辑集合。
  • Region 可以动态在新生代和老年代之间切换角色。

2. 分代收集

  • G1 依然有新生代（Young）和老年代（Old）的概念，但它们由不同的 Region 动态组成。
  • 新生代 GC（Young GC）和老年代 GC（Mixed GC）都以 Region 为单位进行。

3. 并发与并行

  • G1 GC 支持多线程并行回收（Parallel），也支持与应用线程并发执行（Concurrent），大大降低了 Stop-The-World 停顿时间。

4. 预测停顿目标

  • G1 GC 允许用户通过参数（如 -XX:MaxGCPauseMillis=200）指定期望的最大 GC 停顿时间，G1 会尽量满足这个目标。

5. 优先回收垃圾最多的 Region（Garbage First）

  • G1 GC 会优先选择“垃圾最多”的 Region 进行回收，最大化每次 GC 的回收效率。

三、G1 GC 的主要回收过程

1. Young GC（新生代回收）

  • 回收新生代 Region，采用多线程复制算法，存活对象晋升到 Survivor 或老年代 Region。

2. Mixed GC（混合回收）

  • 回收新生代 Region，同时回收部分老年代 Region（优先垃圾最多的）。
  • 这是 G1 的核心创新，能在不全堆回收的情况下，逐步清理老年代，避免 Full GC。

3. Full GC（全堆回收）

  • 当内存压力过大或特殊情况时，G1 也会触发 Full GC，回收整个堆（效率比 CMS、Parallel Old 更高）。

4. 并发标记（Concurrent Marking）

  • G1 会在后台并发标记所有存活对象，统计每个 Region 的“垃圾比例”，为后续 Mixed GC 做准备。

四、G1 GC 的主要阶段

  1. 初始标记（Initial Mark） ：STW，标记 GC Roots 直接可达对象。
  2. 根区域扫描（Root Region Scanning） ：并发，扫描新生代存活对象引用的老年代对象。
  3. 并发标记（Concurrent Marking） ：与应用线程并发，遍历整个堆，标记所有存活对象。
  4. 重新标记（Remark） ：STW，修正并发标记期间对象引用的变化。
  5. 清理（Cleanup） ：并发，统计各 Region 垃圾比例，回收空 Region。
  6. 复制/回收（Evacuation/Collection） ：STW，多线程复制存活对象，回收垃圾最多的 Region。

五、G1 GC 的优缺点

优点

  • 可预测的低停顿时间（可配置）。
  • 支持大堆内存（数十 GB 以上）。
  • 并发与并行，充分利用多核 CPU。
  • 避免老年代碎片问题。

缺点

  • 实现复杂，调优参数较多。
  • 在极端低延迟场景下，停顿时间可能不如 ZGC、Shenandoah。
  • Mixed GC 期间，应用吞吐量可能略有下降。

六、常用参数

  • -XX:+UseG1GC：启用 G1 GC。
  • -XX:MaxGCPauseMillis=200：期望最大 GC 停顿时间（毫秒）。
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45：并发标记的触发阈值（堆使用率）。
  • -XX:G1HeapRegionSize=8m：Region 大小。

七、总结

  • G1 GC 是面向服务端、低停顿、高吞吐量的垃圾回收器，采用 Region 分区、并发并行、优先回收垃圾最多的区域等机制，适合大堆、对响应时间有要求的应用。
  • 通过合理调优参数，可以兼顾吞吐量和停顿时间。

关于 G1 的一些问题

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 是什么？

  • 这个参数控制 G1 GC 并发标记周期（Concurrent Marking Cycle）的触发时机。
  • 它的含义是：当整个堆（包括新生代和老年代）的使用率达到 45% 时，G1 GC 会启动并发标记周期，为后续的 Mixed GC 做准备。

不是普通的 Minor GC 触发阈值

  • 这个参数**不是控制普通 Minor GC（新生代 GC）**的触发时机。
  • 它只影响 G1 的并发标记和后续 Mixed GC，即老年代的垃圾回收准备阶段。

为什么要提前触发？

  • 提前启动并发标记，可以让 G1 有足够的时间在老年代空间耗尽前，完成标记和回收，避免频繁 Full GC。
  • 如果设置得太高，可能来不及回收，导致 Full GC；设置得太低，GC 频率会增加，影响吞吐量。

总结

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 表示当整个堆使用率达到 45% 时，G1 GC 会启动并发标记周期，为老年代的回收做准备，不是普通 Minor GC 的触发阈值。

G1 日志样例，调优建议

G1 GC 日志样例

2024-06-14T10:00:00.123+0800: 1.234: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young) (initial-mark), 0.0156789 secs]
   [Parallel Time: 12.3 ms, GC Workers: 4]
      [GC Worker Start (ms): Min: 1234.5, Avg: 1235.0, Max: 1235.5, Diff: 1.0]
      [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.5, Avg: 0.7, Max: 0.9, Diff: 0.4]
      [Update RS (ms): Min: 1.0, Avg: 1.2, Max: 1.4, Diff: 0.4]
      [Scan RS (ms): Min: 2.0, Avg: 2.2, Max: 2.4, Diff: 0.4]
      [Object Copy (ms): Min: 5.0, Avg: 5.5, Max: 6.0, Diff: 1.0]
      [Termination (ms): Min: 2.0, Avg: 2.2, Max: 2.4, Diff: 0.4]
   [Code Root Fixup: 0.1 ms]
   [Code Root Purge: 0.0 ms]
   [Clear CT: 0.1 ms]
   [Other: 2.2 ms]
      [Choose CSet: 0.0 ms]
      [Ref Proc: 1.0 ms]
      [Ref Enq: 0.1 ms]
      [Redirty Cards: 0.2 ms]
      [Humongous Register: 0.0 ms]
      [Humongous Reclaim: 0.0 ms]
   [Eden: 32.0M(32.0M)->0.0B(32.0M) Survivors: 0.0B->1024.0K Heap: 100.0M(256.0M)->70.0M(256.0M)]
 [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.01 secs]

二、日志详细解析

  • GC pause (G1 Evacuation Pause) (young) (initial-mark):
    说明本次是 G1 的新生代回收（young），并且是初始标记阶段（initial-mark），发生了 Stop-The-World（STW）停顿。
  • Parallel Time: 12.3 ms, GC Workers: 4:
    并行回收耗时 12.3ms，使用了 4 个 GC 线程。
  • [GC Worker Start ...] 到 [Termination ...]:
    详细展示每个 GC 线程在各阶段的耗时，便于分析并行效率。
  • [Eden: 32.0M(32.0M)->0.0B(32.0M)]:
    Eden 区从 32M 回收到 0，说明新生代对象全部被回收或晋升。
  • Survivors: 0.0B->1024.0K:
    Survivor 区从 0 增加到 1024K，说明有部分对象晋升到 Survivor 区。
  • Heap: 100.0M(256.0M)->70.0M(256.0M):
    堆使用从 100M 降到 70M，总堆大小 256M。
  • [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.01 secs]:
    用户态、内核态和实际耗时，实际停顿 10ms。

三、调优建议

  1. 设置期望最大停顿时间 让 G1 尽量将单次 GC 停顿控制在 200ms 内。
-XX:MaxGCPauseMillis=200

  1. 合理设置堆和 Region 大小

    • 堆越大，GC 越高效，但单次回收耗时也可能增加。
    • Region 大小可用 -XX:G1HeapRegionSize=8m 调整（一般无需手动设置）。

  2. 调整 Mixed GC 触发阈值 老年代占用 45% 时触发混合回收，防止老年代膨胀。

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

  1. 关注 Humongous 对象

    • 大对象频繁分配会导致碎片和 Full GC，尽量避免大对象直接分配到堆。

  2. 开启详细 GC 日志 便于分析每次 GC 的耗时和效果

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:/path/to/gc.log

  1. 监控 Full GC 和 Evacuation Failure

    • Full GC 说明 G1 无法满足内存回收需求，需关注日志并优化内存使用或参数。
    • Evacuation Failure（晋升失败）需加大堆或优化对象生命周期。

总结：

  • 关注 GC 停顿时间、堆使用变化、Full GC 和 Humongous 对象分配。
  • 通过调整 MaxGCPauseMillis、堆大小、Mixed GC 阈值等参数，结合日志分析，优化 G1 GC 性能和应用响应性。

G1 详细执行阶段

一、G1 GC 的主要阶段

G1 GC 的回收过程主要分为以下几个阶段：

  1. 初始标记（Initial Mark）
  2. 根区域扫描（Root Region Scanning）
  3. 并发标记（Concurrent Marking）
  4. 重新标记（Remark）
  5. 清理（Cleanup）
  6. 复制/回收（Evacuation/Collection）

这些阶段会在不同类型的 GC（Young GC、Mixed GC、Full GC）中以不同组合出现。

二、各阶段详细说明及采用的算法

1. 初始标记（Initial Mark）
  • 作用：标记从 GC Roots 直接可达的对象。
  • 算法：可达性分析（Root Tracing） ，只处理新生代存活对象。
  • 特点：Stop-The-World，耗时极短。
  • 触发时机：通常在 Young GC 或 Mixed GC 开始时。
2. 根区域扫描（Root Region Scanning）
  • 作用：扫描新生代的 Survivor 区，标记其中引用的老年代对象。
  • 算法：可达性分析，增量标记。
  • 特点：与应用线程并发进行。
3. 并发标记（Concurrent Marking）
  • 作用：遍历整个堆，标记所有可达对象，统计每个 Region 的存活对象数量。
  • 算法：三色标记法（Mark-Sweep 的标记阶段） ，采用并发可达性分析。
  • 特点：与应用线程并发进行，极大减少停顿。
4. 重新标记（Remark）
  • 作用：修正并发标记期间对象引用的变化，确保标记准确。
  • 算法：三色标记法的补充标记，通常用 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）或增量更新。
  • 特点：Stop-The-World，耗时较短，采用多线程并行。
5. 清理（Cleanup）
  • 作用：统计各 Region 的垃圾比例，回收完全无存活对象的 Region，准备后续回收。
  • 算法：标记-清除（Mark-Sweep） ，只清理空 Region，不移动对象。
  • 特点：大部分并发进行，只有极短的 STW。
6. 复制/回收（Evacuation/Collection）
  • 作用：将存活对象从回收目标 Region 复制到新的 Region，回收垃圾最多的 Region。
  • 算法：复制算法（Copying/Scavenge） ，多线程并行。
  • 特点：Stop-The-World，但可控且并行，回收效率高。

三、G1 GC 的回收类型与阶段组合

  • Young GC：只回收新生代 Region，采用复制算法。
  • Mixed GC：回收新生代和部分老年代 Region，采用复制算法。
  • Full GC：极少发生，采用标记-整理（Mark-Compact）算法，Stop-The-World。

四、总结表

阶段主要算法是否并发说明
初始标记可达性分析否STW，标记 GC Roots
根区域扫描可达性分析是并发，扫描 Survivor 区
并发标记三色标记法是并发，遍历整个堆
重新标记三色标记法（补充标记）否STW，多线程，修正引用变化
清理标记-清除是/否并发为主，极短 STW
复制/回收复制算法否STW，多线程，回收目标 Region
Full GC标记-整理否STW，极少发生

总结：
G1 GC 通过分阶段、分区、并发与并行的方式，结合可达性分析、三色标记、复制算法等多种回收算法，实现了高效、低停顿的垃圾回收。每个阶段采用最适合的算法，兼顾了吞吐量和响应时间。

G1 内存碎片问题

1. G1 GC 的“标记-清理”与“整理”

  • G1 GC 的正常回收（Young GC、Mixed GC） ：采用复制算法，把存活对象从回收的 Region 复制到新的 Region，这样不会产生碎片。
  • G1 GC 的并发标记和清理阶段：确实是“标记-清理”，这一步只是统计和回收完全空的 Region，不会移动对象，也不会整理内存。
  • G1 GC 的 Full GC 阶段：采用标记-整理（Mark-Compact）算法，会移动对象，整理内存，消除碎片。

2. G1 会不会有内存碎片？

  • 正常情况下，G1 通过复制算法和 Region 回收，大部分时间不会有严重的内存碎片，因为对象总是在 Region 之间整体搬迁。
  • 但在极端情况下，如果老年代 Region 中存活对象分布极不均匀，且无法腾出足够的空 Region，可能会出现碎片化，导致大对象分配失败。
  • 此时 G1 会触发 Full GC，用标记-整理算法整理内存，消除碎片。

3. 总结

  • G1 GC 绝大多数情况下不会有严重的内存碎片问题，因为它通过复制和 Region 管理避免了碎片。
  • 只有在极端情况下，碎片过多时才会触发 Full GC 进行整理。

关于 G1 Region

1. 什么是“空的 Region”？

  • G1 GC 把堆划分为很多 Region。
  • 当某个 Region 里的对象全部都不可达（即都成了垃圾），这个 Region 就变成了“空 Region”。

2. 空 Region 是怎么回收的？

  • 空 Region 的回收非常简单：
    G1 只需要把这个 Region 标记为“空闲”，以后可以直接用于新对象分配，无需复制或移动任何对象。
  • 不会有对象复制：
    因为里面已经没有存活对象了，所以不需要把对象复制到别的 Region。

3. 不是空的 Region 怎么回收？

  • 对于非空的 Region（即还有存活对象的 Region），G1 会在 Mixed GC 或 Young GC 时，把这些 Region 作为回收目标。

  • 回收过程：

    1. 标记存活对象。
    2. 把存活对象复制到新的 Region（通常是 Survivor 或其他空闲 Region）。
    3. 原 Region 变成“空 Region”，下次可以重新分配。

4. 总结

  • 空 Region：直接标记为可用，无需复制对象。
  • 非空 Region：存活对象会被复制到其他 Region，原 Region 回收后变为空 Region。

一句话总结：
G1 回收空 Region 时，不需要复制对象，只需把 Region 标记为空闲即可；只有有存活对象的 Region 才会发生对象复制和整理。

G1 空 Region 的出现

空 region 的出现频率通常不会特别高，但也不是极少见，具体情况取决于应用的对象生命周期和内存使用模式。

1. 为什么空 region 不会特别多？

  • 大多数 Region 都有存活对象：在实际应用中，尤其是老年代 Region，往往会有一些长期存活的对象，导致 Region 很难完全变空。
  • 新生代 Region 更容易变空：新生代对象“朝生夕死”，Minor GC 后有些 Eden 或 Survivor Region 可能会完全变空，但这些 Region 很快会被重新分配。

2. 什么时候会出现空 region？

  • 新生代 GC 后：Eden 区的对象大多被回收，Eden Region 可能会变成空 Region。
  • Mixed GC/老年代回收后：如果某个老年代 Region 里的对象全部被回收（比如大对象生命周期结束），这个 Region 会变成空 Region。
  • 应用对象生命周期短且分布集中时：比如批量处理、缓存清理等场景，某些 Region 可能会一次性被清空。

3. 现实中的比例

  • 新生代空 Region 出现较多，但会很快被复用。
  • 老年代空 Region 出现较少，因为老年代对象存活率高，Region 很难完全腾空。

总结：
空 Region 在新生代更常见，在老年代较少。G1 的设计就是通过不断整理和复制，让更多 Region 变为空闲，提高内存利用率，但在实际业务中，完全空的 Region 并不会特别多。

关于 G1 的一些理解

G1 收集器是把整个堆分为多个 region，每个 region 存放新生代或老年代，并且会有个标志表明是新生代还是老年代。垃圾回收的时候，会回收所有的 region，新生代和老年代分别采用不同的回收算法，把存活的对象尽量的放在同一个 region 里，原来的 region 就有可能变成空 region，下次直接在空的 region 里分配新的对象，是直接覆盖的，空的 region 也不用回收，直接把新对象覆盖上去就行了。

1. Region 的分配和角色

  • G1 GC 会把整个堆划分为许多 Region，每个 Region 在某一时刻只属于新生代（Eden/Survivor）或老年代。
  • 每个 Region 都有标志，表明当前属于新生代还是老年代。

2. 回收过程

  • Young GC：只回收新生代 Region（Eden 和 Survivor），采用复制算法，把存活对象复制到新的 Survivor 或老年代 Region。
  • Mixed GC：回收新生代 Region，同时回收部分老年代 Region（优先垃圾最多的），同样采用复制算法。
  • Full GC：极少发生，回收整个堆，采用标记-整理算法。

3. 空 Region 的利用

  • 回收后，如果某个 Region 没有存活对象，就变成“空 Region”。
  • 空 Region 不需要再回收，下次分配新对象时，直接把新对象分配到空 Region，原内容会被覆盖。
  • G1 会优先在空 Region 分配新对象，提升内存利用率。

4. 不同 Region 不会混合存放新生代和老年代对象

  • 每个 Region 只存放一种类型的对象（新生代或老年代），不会混合。

总结：
你的理解是对的：G1 把堆分成多个 Region，每个 Region 只属于新生代或老年代。回收时采用复制算法，存活对象被搬迁，原 Region 可能变成空 Region，空 Region 直接用于新对象分配，无需额外回收操作。

G1 重新总结整理

一、G1 GC 简介

G1 GC（Garbage First Garbage Collector）是 Oracle HotSpot JVM 推出的面向服务端、低停顿、高吞吐量的垃圾回收器。
它的设计目标是可预测的低停顿时间，适合大堆内存和对响应时间有要求的应用。JDK9 及以后，G1 GC 成为默认垃圾回收器。

二、Region 的划分与管理

  • G1 GC 会把整个堆划分为许多大小相等的 Region（区域），每个 Region 一般为 1~32MB。
  • 每个 Region 在某一时刻只属于新生代（Eden/Survivor）或老年代（Old） ，不会混合存放。
  • JVM 会为每个 Region 维护一个标志，表明它当前属于新生代还是老年代。
  • 新生代和老年代的对象不会混合存放在同一个 Region。

三、Region 的分配与回收

  • 新对象分配：优先分配到 Eden Region，Eden Region 用完后分配到空 Region。
  • Young GC（新生代回收） ：只回收新生代 Region（Eden 和 Survivor），采用复制算法，把存活对象复制到新的 Survivor 或老年代 Region。
  • Mixed GC（混合回收） ：回收新生代 Region，同时回收部分老年代 Region（优先垃圾最多的），同样采用复制算法。
  • Full GC：极少发生，回收整个堆，采用标记-整理算法。

四、空 Region 的利用

  • 回收后，如果某个 Region 没有存活对象，就变成“空 Region”。
  • 空 Region 不需要再回收，下次分配新对象时，直接把新对象分配到空 Region，原内容会被覆盖。
  • G1 会优先在空 Region 分配新对象，提升内存利用率。

五、G1 GC 的主要阶段和算法

  1. 初始标记（Initial Mark）

    • 标记 GC Roots 直接可达对象，STW，耗时极短。
    • 算法：可达性分析。

  2. 根区域扫描（Root Region Scanning）

    • 扫描新生代的 Survivor 区，标记其中引用的老年代对象。
    • 算法：可达性分析，增量标记。

  3. 并发标记（Concurrent Marking）

    • 遍历整个堆，标记所有可达对象，统计每个 Region 的存活对象数量。
    • 算法：三色标记法，采用并发可达性分析。

  4. 重新标记（Remark）

    • 修正并发标记期间对象引用的变化，确保标记准确。
    • 算法：三色标记法的补充标记，通常用 SATB 或增量更新。
    • STW，耗时较短。

  5. 清理（Cleanup）

    • 统计各 Region 的垃圾比例，回收完全无存活对象的 Region，准备后续回收。
    • 算法：标记-清除，只清理空 Region，不移动对象。

  6. 复制/回收（Evacuation/Collection）

    • 将存活对象从回收目标 Region 复制到新的 Region，回收垃圾最多的 Region。
    • 算法：复制算法，多线程并行，STW。

六、G1 GC 的优缺点

优点：

  • 可预测的低停顿时间（可配置）。
  • 支持大堆内存。
  • 并发与并行，充分利用多核 CPU。
  • 避免老年代碎片问题，空 Region 可直接复用。

缺点：

  • 实现复杂，调优参数较多。
  • 极端低延迟场景下，停顿时间可能不如 ZGC、Shenandoah。

七、总结

  • G1 GC 通过将堆划分为多个 Region，每个 Region 只属于新生代或老年代，结合复制算法和并发标记，实现了高效、低停顿的垃圾回收。
  • 回收后变成空的 Region 可以直接用于新对象分配，无需额外回收操作，极大提升了内存利用率和分配效率。
  • G1 GC 适合大堆、对响应时间有要求的服务端应用，是现代 JVM 的主流选择之一。

CMS 和 G1 对比

下面详细对比 CMS 和 G1 垃圾回收器，并解释为什么 CMS 被逐步淘汰、JDK 默认选择 G1。

一、CMS 与 G1 的核心对比

特性CMS（Concurrent Mark Sweep）G1（Garbage-First）
堆结构新生代+老年代，物理分区整个堆划分为多个 Region，逻辑分区
新生代算法ParNew（多线程复制）G1 自己实现的复制算法
老年代算法标记-清除（Mark-Sweep）标记-整理（Mark-Compact）
并发回收支持（标记、清理阶段并发）支持（标记、清理阶段并发）
停顿预测不支持支持（可配置最大停顿时间）
内存碎片易产生碎片，需 Full GC 整理标记-整理，几乎无碎片
大对象处理直接进入老年代Humongous Region 专门处理
回收粒度整个老年代Region 级别，按需回收
日志与监控日志较简单日志详细，易于分析
调优复杂度参数多，调优复杂参数较少，调优更智能
JDK支持JDK9 开始标记为 deprecatedJDK9 起默认 GC

二、CMS 的主要缺点

  1. 内存碎片问题严重

    • CMS 采用标记-清除算法，回收后不会整理内存，导致老年代容易产生碎片。
    • 碎片多时，晋升失败会触发 Full GC，导致长时间 STW。

  2. 无法预测停顿时间

    • CMS 不能根据业务需求设定最大停顿时间，停顿不可控。

  3. 浮动垃圾

    • 并发标记期间产生的新垃圾对象要等下次 GC 才能回收，导致老年代空间利用率降低。

  4. CPU 资源竞争

    • 并发回收会与应用线程争抢 CPU，影响吞吐量。

  5. 维护和调优复杂

    • 参数多，调优难度大，容易出错。

  6. JDK 官方已弃用

    • JDK9 开始 CMS 被标记为 deprecated，后续版本将移除。

三、G1 的优势

  1. 可预测的低停顿

    • 支持 -XX:MaxGCPauseMillis，GC 会根据目标自动调整回收行为，停顿时间更可控。

  2. Region 设计，回收更灵活

    • 堆被划分为多个 Region，G1 可以只回收垃圾最多的 Region，提升效率。

  3. 标记-整理算法，几乎无碎片

    • 回收时会整理内存，避免碎片问题。

  4. 混合回收（Mixed GC）

    • 可以同时回收新生代和部分老年代，提升老年代回收效率。

  5. 更智能的调优和监控

    • 日志详细，参数更智能，便于自动调优和问题定位。

  6. 官方推荐与持续优化

    • JDK9 起默认 GC，持续获得 Oracle 和 OpenJDK 的优化和支持。

四、为什么 CMS 被淘汰，JDK 默认选择 G1？

  • 技术演进：G1 解决了 CMS 的核心痛点（碎片、不可预测停顿、调优复杂）。
  • 维护成本：CMS 代码老旧，维护成本高，社区和 Oracle 更愿意投入到 G1、ZGC、Shenandoah 等新一代 GC。
  • 用户体验：G1 能更好地满足现代大堆、低延迟、高吞吐的需求。
  • 官方策略：JDK9 起 CMS 被标记为 deprecated，G1 成为默认，推动用户迁移。

五、总结

  • CMS 优点是低停顿，但有碎片、不可预测停顿、调优难等缺点，已被官方弃用。
  • G1 通过 Region、标记-整理、混合回收和停顿预测，成为现代 Java 应用的主流选择。
  • JDK 默认选择 G1，是因为它更智能、更高效、更易用，适合绝大多数生产场景。
avatar
文章
阅读
粉丝