垃圾回收器

一、JVM 垃圾回收器概述

常见的垃圾回收器：

1. Serial GC
2. Parallel GC（Throughput GC）
3. CMS GC（Concurrent Mark Sweep）
4. G1 GC（Garbage First）
5. ZGC（Z Garbage Collector）
6. Shenandoah GC

二、垃圾回收器的特点与回收流程

1. Serial GC
   • 特点：
     • 单线程垃圾回收
     • 适用于单核 CPU 或小型应用
     • 回收时会暂停所有应用线程（Stop-The-World，STW）
   • 回收流程：
     • 新生代：使用复制算法（Copying）
     • 老年代：使用标记-整理算法（Mark-Compact）
   • 适用场景：
     • 客户端应用和小型服务端应用
   • 重要参数：
     • -XX:UseSerialGC ：启用 Serial GC
2. Parallel GC（Throughput GC）
   • 特点：
     • 多线程垃圾回收器
     • 目标是最大化吞吐量（Throughput）
     • 回收时会暂停所有应用线程（STW）
   • 回收流程：
     • 新生代：使用复制算法（Copying）
     • 老年代：使用标记-整理算法（Mark-Compact）
   • 适用场景：
     • 多核 CPU 且对吞吐量要求高的应用
   • 重要参数：
     • -XX:+UseParallelGC ：启用 Parallel GC
     • -XX:ParallelGCThreads ：设置并行 GC 线程数
     • -XX:MaxGCPauseMillis ：设置最大 CG 暂停时间目标
     • -XX:GCTimeRatio ：设置吞吐量目标（GC 时间与总时间目标）
3. CMS GC（Concurrent Mark Sweep）
   • 特点：
     • 并发垃圾回收器，尽量减少 STW 时间
     • 适用于对延迟敏感的应用
     • 使用标记-清除算法（Mark-Sweep），会产生内存碎片
   • 回收流程：
     • 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接关联对象
     • 并发标记：并发标记所有可达对象
     • 重新标记（STW）：修正并发标记期间的变化
     • 并发清除：并发清除不可达对象
   • 适用场景：
     • 对延迟敏感的应用，如 Web 服务
   • 重要参数：
     • -XX:+UseConcMarkSweepGC ：启用 CMS GC
     • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction ：设置老年代使用率触发 CMS 的阈值（默认 68%）
     • -XX:UseCMSCompactAtFullCollection ：在 Full GC 时进行内存整理
     • -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction ：设置多少次 Full GC 后进行内存整理
4. G1 GC（Garbage First）
   • 特点：
     • 面向服务端应用的垃圾回收器
     • 将堆内存划分为多个 Region，优先回收垃圾最多的 Region
     • 目标是平衡吞吐量和延迟
   • 回收流程：
     • 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接关联的对象
     • 并发标记：标记所有的可达对象
     • 最终标记（STW）：修正并发标记期间的变化
     • 筛选回收（STW）：根据回收价值排序 Region，优先回收垃圾最多的 Region
   • 适用场景：
     • 大内存、多核 CPU 的应用
     • 重要参数：
       • -XX:+UseG1GC ：启用 G1 GC
       • -XX:MaxGCPauseMillis ：设置最大 GC 暂停时间的目标（默认 200ms）
       • -XX:G1HeapRegionSize ：设置 G1 Region 的大小
       • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent ：设置堆使用率触发并发标记的阈值（默认 45%）
5. ZGC（Z Garbage Collector）
   • 特点：
     • 低延迟垃圾回收器，STW 时间极短（通常少于 10ms）
     • 支持最大堆内存（TB 级别）
     • 使用染色指针（Colored Pointers）和读屏障（Load Barrier）技术
   • 回收流程：

1. 初始化阶段（Initial Mark）
这是 ZGC 回收的第一个阶段，主要目标是标记所有存活的根对象。此时，ZGC 会标记所有活动线程和 JVM 堆栈中的对象，以及直接引用的对象。

启动时标记：在这个阶段，ZGC 会先标记应用程序中所有的“根对象”（如活动线程的栈、直接引用的对象等）。这个过程是 Stop-the-World（STW）操作，因为它需要暂停应用程序的执行，确保能够访问到所有根对象。
彩色指针标记：在此阶段，对象会被标记为活动状态。ZGC 会使用彩色指针技术，在对象的指针低位或高位嵌入额外的标记信息，表示对象的状态（例如，是否是“活动”对象）。
2. 并发标记（Concurrent Mark）
在这一步骤中，ZGC 会并发地标记堆中的所有对象，以确定哪些对象是活动的（存活的）。

并发标记：在并发标记阶段，ZGC 会遍历堆中的所有对象，并标记所有能通过根对象访问到的对象。此阶段 与应用程序并发运行，不会暂停应用程序的执行，因此不会造成长时间的停顿。
读屏障：ZGC 使用 读屏障 技术来确保指向活动对象的指针会被正确地修正，特别是当对象被移动时。读屏障帮助 ZGC 在并发标记阶段管理对象的状态。
Marking Phase：对象通过指针传播，标记所有从根对象可达的对象。如果对象可达，它就会被标记为“存活”。
3. 并发移除（Concurrent Relocation）
ZGC 通过并发的方式，在标记阶段之后开始清理垃圾并将存活对象移动到新的内存区域。

对象移动（Relocation）：ZGC 通过使用彩色指针将对象迁移到堆的连续区域，这样可以避免堆内存碎片。此阶段仍然是并发进行的，因此并不会阻塞应用程序的执行。
空间整理：ZGC 会将存活的对象移动到新的位置，目的是为了更好地利用堆空间并减少碎片。由于对象的内存位置发生变化，ZGC 使用读屏障来确保应用程序始终访问到正确的对象位置。
4. 并发清理（Concurrent Sweep）
在 ZGC 的并发清理阶段，垃圾回收器会清理被标记为垃圾的对象。

清理未标记的对象：在这个阶段，ZGC 会清理所有标记为不可达（垃圾）的对象。这一过程会并发进行，不会阻塞应用程序线程。
标记-清理分离：ZGC 的并发清理是通过 并发清理 和 并发回收 的方式来实现的，即标记阶段和清理阶段是分开进行的。ZGC 不需要在这两者之间进行停顿。
5. 结束阶段（Final Cleanup）
当 ZGC 完成并发清理后，会进行一些最后的清理工作，准备为下一轮垃圾回收做准备。

最后整理：在这个阶段，ZGC 会对剩余的内存进行整理，将所有的存活对象放到堆内存的最前端。这有助于下一轮垃圾回收时减少碎片。
恢复应用程序：在所有并发阶段完成后，应用程序可以恢复执行，垃圾回收已经完成。这个阶段通常是 Stop-the-World 的短暂停顿。

• 适用场景：
  • 对延迟极其敏感的应用，如金融交易系统
• 重要参数：
  • -XX:+UseZGC ：启用 ZGC
  • -XX:ZAllocationSpikeTolerance ：设置分配尖峰容忍度
  • -XX:ZCollectionInterval ：这是 ZGC 的回收时间间隔

6. Shenandoah GC
   • 特点：
     • 低延迟垃圾回收器，STW 时间极短
     • 支持并发压缩（Concurrent Compaction）
     • 使用 Brooks 指针和读屏障技术
   • 回收流程：
     • 并发标记：并发标记所有可达对象
     • 并发转移：并发将存活对象转移到新的内存区域
     • 并发更新引用：并发更新对象引用
   • 适用场景：
     • 对延迟敏感的应用，如实时数据处理系统
   • 重要参数：
     • -XX:+UseShenandoahGC ：启用 Shenandoah GC
     • -XX:ShenandoahGCHeuristics ：设置 Shenandoah 的启发式策略
     • -XX:ShenandoahGCMode ：设置 Shenandoah 的工作默认

三、总结

四、选择垃圾回收器的建议

• 小型应用：Serial GC。
• 高吞吐量应用：Parallel GC。
• 低延迟应用：CMS GC（JDK 8 及之前）或 G1 GC（JDK 9 及之后）。
• 超大堆内存、极低延迟应用：ZGC 或 Shenandoah GC。

通过合理选择和配置垃圾回收器，可以显著提升应用的性能和稳定性。

五、其他关键点

1. 可达性算法

2. 三色标记

3. 标记清除算法

先标记，再清除

• 优点：速度快
• 缺点：产生碎片空间

4. 标记复制算法

在一块内存先标记存活对象，然后将存活对象复制到另外一块内存，最后清除原有内存

• 优点：速度快，不产生碎片空间
• 缺点：浪费内存空间，只能使用原有内存的一般
• 应用：一般应用在新生代 eden，survivor1，survior2

5. 标记整理算法

先标记存活对象，将存活对象全部向一边内存迁移，最后清除另一边内存

• 优点：不产生碎片空间
• 缺点：速度较慢
• 应用：CMS

安全点（Safe Point）

安全区域（Safe Area）

跨代引用解决方案

1. G1的解决方案：记忆集（RSet）

每个 Region 维护一个 RSet（Remembered Set），用于记录 其他 Region 中的对象对本 Region 的引用。例如：

• Region A（老年代）中的对象引用了 Region B（新生代）中的对象，则 Region B 中 RSet 会记录 Region A 中存在这种引用 RSet 的结构
• RSet 本质上是一个哈希表，键是引用来源的 Region 地址，值是来源 Region 中的卡表索引（Card Index）
• 卡表（Card Table）：每个 Region 被划分为多个卡页（Card Page，默认 512 字节），卡表是一个字节数组，每个元素对应一个卡页。当卡页内的对象存在跨 Region 引用时，对应的卡表元素会被标记为脏

2. 写屏障（Write Barrier）维护 RSet

当程序修改对象引用（如 Obj.field = newObj）时，G1 通过写屏障触发一下操作：

1. 判断是否为跨 Region 引用：检查 obj 和newObj 是否属于不同 Region
2. 更新 RSet：如果跨 Region，将引用来源（obj 所在的 Region 和卡页）记录到newObj 所在 Region 的 RSet 中

伪代码示例：

void writeBarrier(Field field, Object newObj) {
    Object oldObj = field.get();
    if (oldObj != null && isCrossRegionRef(oldObj, newObj)) {
        // 记录引用来源到目标 Region 的 RSet
        addToRSet(oldObj.region(), newObj.region(), getCardIndex(oldObj));
    }
    field.set(newObj);
}

3. 垃圾回收处理跨代引用

以 Young GC 为例（清理新生代 Region）：

1. 确定存活对象：通过 GC Roots 扫描新生代对象
2. 处理跨代引用：
   1. 遍历新生代每个 Region 的 RSet，找到所有老年代 Region 对新生代的引用
   2. 将这里老年代 Region 中的卡页标记为“需要扫描”
   3. 仅扫描这些脏卡页中的对象，避免扫描整个老年代

优势

• 减少扫描范围：仅处理与新生代相关的跨代引用，而非全堆扫描
• 并行处理：RSet 的维护和扫描可以并行化，降低停顿时间

4. RSet 的优化

为了减少内存和计算开销，G1 对 RSet 进行了优化：

1. 稀疏哈希表：仅在存在跨 Region 引用时分配存储空间
2. 粒度控制：卡页大小（512 字节）平衡了进度与内存占用
3. 并发更新：写屏障的操作是并发执行的，减少对应用线程阻塞

5. 与其他回收器的对比