jvm垃圾回收

JVM 垃圾回收器及其原理与垃圾回收算法

垃圾回收（Garbage Collection, GC）是 JVM 自动管理内存的核心机制。GC 的目标是识别并回收不再使用的对象，释放内存空间。JVM 提供了多种垃圾回收器，每种回收器基于不同的算法，适用于不同的业务场景（吞吐量优先、低延迟优先等）。

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一、垃圾回收算法

所有垃圾回收器都基于以下三种基础算法或其组合：

1. 标记-清除（Mark-Sweep）

• 过程：

  1. 标记：从 GC Roots 出发，遍历所有可达对象，进行标记。
  2. 清除：遍历堆，回收未被标记的对象内存。

• 优点：实现简单，不需要移动对象。

• 缺点：产生内存碎片，导致后续无法为大对象分配连续空间；效率随对象数量增多而下降。

• 代表：CMS 的“并发清除”阶段。

2. 标记-复制（Mark-Copy）

• 过程：将内存分为两块（如 Eden 和 Survivor），每次只使用一块。当该块满时，将存活对象复制到另一块，然后一次性清除整块。
• 优点：实现简单，无碎片；复制过程高效。
• 缺点：内存利用率低，始终有一块空间空闲。
• 代表：新生代的所有回收器（Serial、ParNew、Parallel Scavenge）。

3. 标记-整理（Mark-Compact）

• 过程：

  1. 标记存活对象（同标记-清除）。
  2. 将所有存活对象向一端移动，整理出连续的空闲空间。

• 优点：无内存碎片。

• 缺点：移动对象需要更新引用，停顿时间较长。

• 代表：老年代回收器（Serial Old、Parallel Old、CMS 的 Full GC 阶段）。

4. 分代收集理论

现代 JVM 将堆分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），并采用不同的回收算法：

• 新生代：对象“朝生夕死”，适合标记-复制（效率高，碎片少）。
• 老年代：对象存活率高，适合标记-清除或标记-整理（减少移动成本）。

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二、垃圾回收器分类与原理

JVM 垃圾回收器按工作区域分为新生代回收器、老年代回收器和统合型回收器（整堆回收）。

回收器	工作区域	算法	特点	适用场景
Serial	新生代	标记-复制（单线程）	单线程，Stop-The-World，简单高效	客户端模式，单 CPU，小堆内存
Serial Old	老年代	标记-整理（单线程）	同上	同上，或作为 CMS 的备用 Full GC
ParNew	新生代	标记-复制（多线程）	Serial 的多线程版本，常与 CMS 配合	多 CPU 环境，与 CMS 搭配使用
Parallel Scavenge	新生代	标记-复制（多线程）	吞吐量优先，可控制吞吐量和最大停顿	后台计算，高吞吐量场景
Parallel Old	老年代	标记-整理（多线程）	吞吐量优先，与 Parallel Scavenge 搭配	同上
CMS	老年代	标记-清除（并发）	低延迟，并发回收，但产生碎片	互联网应用，对响应时间敏感
G1	整堆	分区 + 标记-复制/整理	可预测停顿，Region 化，并发	大堆内存（4GB+），平衡吞吐与延迟
ZGC	整堆	并发，基于读屏障	超低延迟（<10ms），可扩展至 TB 级堆	超大堆，极低延迟需求（JDK 11+）
Shenandoah	整堆	并发，基于读屏障	与 ZGC 类似，低延迟	OpenJDK 12+，低延迟场景

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三、主流垃圾回收器详解

1. Serial 与 Serial Old

• Serial：新生代单线程，使用 标记-复制。GC 时暂停所有应用线程（Stop-The-World），适合单 CPU 或小内存环境。
• Serial Old：老年代单线程，使用 标记-整理。作为 CMS 的备选 Full GC 方案。

2. Parallel Scavenge 与 Parallel Old

• Parallel Scavenge：新生代多线程，标记-复制。关注吞吐量（-XX:GCTimeRatio）和最大停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）。
• Parallel Old：老年代多线程，标记-整理。与 Parallel Scavenge 搭配，实现高吞吐量回收。

3. CMS（Concurrent Mark Sweep）

• 目标：最小化暂停时间。

• 步骤：

  1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接关联的对象。
  2. 并发标记：与用户线程并发，从 GC Roots 遍历对象图。
  3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间发生变化的对象。
  4. 并发清除：清除未被标记的对象，产生碎片。

• 缺点：CPU 敏感；产生内存碎片；并发模式失败（Concurrent Mode Failure）时会退化为 Serial Old Full GC。

4. G1（Garbage First）

• 目标：可预测的停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）。

• 设计：将堆划分为多个大小相等的 Region（1MB~32MB），每个 Region 可扮演 Eden、Survivor、Old 或 Humongous（巨型对象）角色。

• 工作流程：

  1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots。
  2. 并发标记：并发标记整个堆。
  3. 最终标记（STW）：处理 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）缓冲区。
  4. 筛选回收（STW）：评估各 Region 的回收价值和成本，选择收益高的 Region 回收（使用标记-复制）。

• 特点：通过 Region 和停顿预测模型，实现可控制的停顿时间；避免全堆扫描。

5. ZGC

• 目标：亚毫秒级停顿（<10ms），支持 TB 级堆。
• 设计：基于 染色指针（Colored Pointers）  和 读屏障。GC 阶段几乎全部并发，只有短暂（<1ms）的 STW 阶段。
• 工作流程：并发标记、并发整理、并发重映射等，利用内存多重映射技术实现对象移动时不暂停应用。
• JDK 版本：JDK 11 实验性，JDK 15 正式可用。

6. Shenandoah

• 目标：与 ZGC 类似，低延迟。
• 设计：基于 转发指针（Brooks Pointer）  和 并发整理，通过读屏障处理对象移动后的引用更新。
• JDK 版本：OpenJDK 12 起正式支持。

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四、回收器选择与调优建议

1. 客户端模式 / 单 CPU / 小堆（<512MB） ：Serial（-XX:+UseSerialGC）。

2. 高吞吐量（后台计算、批处理） ：Parallel Scavenge + Parallel Old（-XX:+UseParallelGC 或 -XX:+UseParallelOldGC）。

3. 低延迟（Web 服务、中间件） ：

   • 堆内存 < 4GB：CMS（-XX:+UseConcMarkSweepGC），但注意碎片和并发模式失败。
   • 堆内存 4GB ~ 32GB：G1（-XX:+UseG1GC），设置 -XX:MaxGCPauseMillis=100~200。
   • 堆内存 > 32GB 且要求极低延迟：ZGC（-XX:+UseZGC）或 Shenandoah（-XX:+UseShenandoahGC）。

4. 混合场景：G1 是 JDK 9+ 的默认回收器，平衡了吞吐量和延迟。

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五、总结

算法	优点	缺点	代表回收器
标记-清除	实现简单，不移动对象	内存碎片	CMS（并发清除）
标记-复制	高效，无碎片	内存利用率低	所有新生代回收器
标记-整理	无碎片	移动对象开销大	Serial Old，Parallel Old

垃圾回收器的选择需结合业务对吞吐量和延迟的要求。现代应用多倾向于使用 G1 或 ZGC 这类可控停顿的回收器，同时配合 GC 日志分析，不断调优参数以达到最佳性能。