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垃圾回收器介绍

垃圾回收器

JVM 的垃圾回收器是实现垃圾回收算法的工具，用于自动管理堆内存，回收不再使用的对象。主要包括： 1. Serial：单线程，适合小规模应用。 2. Parallel：多线程并行，高吞吐量。 3. CMS（Concurrent Mark Sweep）：并发低停顿，老年代为主。 4. G1（Garbage First）：分代区域化，平衡吞吐量与停顿。 5. ZGC：超低停顿，适合大内存。 6. Shenandoah：并发整理，低停顿。

核心点

  • 根据吞吐量、停顿时间需求选择。

1. 回收器详解

(1) Serial（串行回收器）

  • 原理：
  • 单线程执行 GC。
  • 年轻代：标记-复制。
  • 老年代：标记-整理。
  • 特点：
  • STW（Stop The World）：暂停所有应用线程。
  • 简单，内存占用低。
  • 参数：
  • -XX:+UseSerialGC。
  • 优点：
  • 开销小，适合单核或小堆。
  • 缺点：
  • 停顿时间长，多核利用率低。
  • 适用：
  • 客户端应用，堆 < 100MB。

(2) Parallel（并行回收器）

  • 原理：
  • 多线程并行执行 GC。
  • 年轻代：标记-复制。
  • 老年代：标记-整理。
  • 特点：
  • Parallel Scavenge（年轻代）+ Parallel Old（老年代）。
  • 注重吞吐量（运行时间占比）。
  • 参数：
  • -XX:+UseParallelGC。
  • -XX:ParallelGCThreads=n：线程数。
  • 优点：
  • 高吞吐量，多核利用好。
  • 缺点：
  • 停顿时间较长。
  • 适用：
  • 后台批处理，吞吐量优先。

(3) CMS（并发标记清除）

  • 原理：
  • 并发执行标记-清除，主要针对老年代。
  • 阶段：
    1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots。
    2. 并发标记：与应用线程并行标记。
    3. 重新标记（STW）：修正并发标记遗漏。
    4. 并发清除：回收垃圾。
  • 特点：
  • 老年代用标记-清除，年轻代用 Serial 或 ParNew。
  • 参数：
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC。
  • 优点：
  • 低停顿，响应快。
  • 缺点：
  • 碎片：标记-清除产生碎片。
  • 浮动垃圾：并发标记时新生垃圾。
  • CPU 占用高。
  • 适用：
  • Web 服务，响应时间敏感。

(4) G1（Garbage First）

  • 原理：
  • 将堆分为多个 Region（区域）。
  • 年轻代用标记-复制，老年代用标记-整理。
  • 优先回收垃圾最多的区域。
  • 阶段：
  • 初始标记（STW）。
  • 并发标记。
  • 最终标记（STW）。
  • 筛选回收（STW）。
  • 特点：
  • 可预测停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）。
  • 无固定分代，逻辑分代。
  • 参数：
  • -XX:+UseG1GC。
  • 优点：
  • 平衡吞吐量与停顿。
  • 无碎片（整理）。
  • 缺点：
  • 内存占用高，复杂。
  • 适用：
  • 大堆（>6GB），低停顿需求。

(5) ZGC（Z Garbage Collector）

  • 原理：
  • 并发执行所有阶段（标记、转移、整理）。
  • 使用染色指针（Colored Pointers）追踪对象。
  • 特点：
  • 停顿时间 < 10ms，与堆大小无关。
  • JDK 11 引入，15 稳定。
  • 参数：
  • -XX:+UseZGC。
  • 优点：
  • 超低停顿，适合超大堆。
  • 缺点：
  • 吞吐量稍低，CPU 占用高。
  • 不支持 32 位。
  • 适用：
  • 高可用服务，大内存（>10GB）。

(6) Shenandoah

  • 原理：
  • 类似 ZGC，并发标记和整理。
  • 使用 Brooks Pointers（转发指针）管理引用。
  • 特点：
  • OpenJDK 项目，Red Hat 主导。
  • 停顿时间低至毫秒级。
  • 参数：
  • -XX:+UseShenandoahGC。
  • 优点：
  • 低停顿，无碎片。
  • 缺点：
  • 吞吐量稍逊，实验性。
  • 适用：
  • 低延迟场景，测试环境。

2. 对比表

回收器 算法 停顿 吞吐量 特点 适用场景
Serial 标记-复制/整理 高 中 单线程 小型应用
Parallel 标记-复制/整理 中 高 多线程并行 批处理
CMS 标记-清除 低 中 并发，老年代 Web 服务
G1 标记-复制/整理 可控 高 区域化 大堆、低停顿
ZGC 并发标记-整理 极低 中 超低停顿 大内存、高可用
Shenandoah 并发标记-整理 极低 中 并发整理 低延迟实验

3. GC 流程示例（G1）

堆: [Eden | S0 | S1 | Old Regions]
1. Eden 满 --> Minor GC (标记-复制到 S0/S1)
2. S0/S1 存活 --> 晋升到 Old
3. Old 满 --> Mixed GC (标记-整理)

4. 延伸与面试角度

  • 选择依据：
  • 吞吐量：Parallel。
  • 低停顿：CMS、G1、ZGC。
  • 大堆：G1、ZGC。
  • 调优参数：
  • -Xms/-Xmx：堆大小。
  • -XX:GCTimeRatio：吞吐量目标。
  • 实际应用：
  • Tomcat：G1 或 CMS。
  • 大数据：Parallel。
  • 面试点：
  • 问“种类”时，提六种及特点。
  • 问“区别”时，提停顿与吞吐量。

总结

JVM 垃圾回收器从 Serial 到 ZGC，逐步优化吞吐量和停顿时间，适配不同场景。Serial 简单，Parallel 高吞吐，CMS/G1/ZGC 低停顿。面试时，可提算法对应或画 GC 流程，展示理解深度。