Java核心基础十：JVM垃圾回收机制（GC）

一、垃圾回收（GC）核心算法

1. 标记-清除（Mark-Sweep）

• 步骤：

  1. 标记：从GC Roots（如活动线程、静态变量等）出发，标记所有可达对象。

  2. 清除：遍历堆内存，回收未被标记的对象内存。

• 优点：实现简单，无需移动对象。

• 缺点：

  • 内存碎片：回收后内存不连续，大对象分配困难。

  • 效率问题：两次遍历（标记+清除）耗时较长。

• 应用场景：CMS收集器的老年代回收阶段。

2. 复制（Copying）

• 步骤：

  1. 将内存分为两块（From、To），每次只使用其中一块。

  2. GC时，将存活对象从From区复制到To区，并清空From区。

• 优点：无内存碎片，分配高效。

• 缺点：内存利用率低（需预留一半空间）。

• 应用场景：新生代的Minor GC（Eden和Survivor区）。

3. 标记-整理（Mark-Compact）

• 步骤：

  1. 标记：同标记-清除。

  2. 整理：将存活对象向内存一端移动，清理边界外碎片。

• 优点：无内存碎片，适合老年代。

• 缺点：对象移动导致额外开销。

• 应用场景：Serial Old、Parallel Old收集器。

4. 分代收集（Generational Collection）

• 核心思想：根据对象存活周期将堆分为新生代（Young）和老年代（Old），采用不同算法。

  • 新生代：对象存活率低，使用复制算法（Minor GC）。

  • 老年代：对象存活率高，使用标记-清除或标记-整理（Major GC/Full GC）。

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二、现代垃圾收集器

1. Serial收集器

• 特点：单线程执行GC，全程STW（Stop-The-World）。

• 适用场景：客户端模式或小内存应用（如嵌入式系统）。

• 参数：-XX:+UseSerialGC。

2. Parallel收集器（吞吐量优先）

• 特点：多线程并行GC，关注高吞吐量（吞吐量 = 用户代码运行时间 / 总时间）。

• 参数：

  • -XX:+UseParallelGC（新生代Parallel，老年代Serial Old）。

  • -XX:+UseParallelOldGC（新生代和老代均并行）。

• 调优参数：

  • -XX:ParallelGCThreads：设置并行GC线程数（默认CPU核数）。

  • -XX:MaxGCPauseMillis：目标最大GC停顿时间（JVM尽力实现）。

3. CMS（Concurrent Mark Sweep）

• 特点：并发标记清除，减少STW时间，关注低延迟。

• 步骤：

  1. 初始标记（STW）：标记GC Roots直接关联的对象。

  2. 并发标记：遍历对象图。

  3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间变动的对象。

  4. 并发清除：回收垃圾。

• 缺点：

  • 内存碎片问题。

  • 并发阶段占用CPU资源，可能影响应用吞吐量。

• 参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC。

4. G1（Garbage-First）

• 特点：

  • 将堆划分为多个Region（默认2048个），每个Region可以是Eden、Survivor或Old。

  • 优先回收垃圾最多的Region（Garbage-First），可预测停顿时间。

• 步骤：

  1. 初始标记（STW）。

  2. 并发标记。

  3. 最终标记（STW）。

  4. 筛选回收（STW）：选择高收益Region回收。

• 参数：

  • -XX:+UseG1GC。

  • -XX:MaxGCPauseMillis=200（目标停顿时间，默认200ms）。

  • -XX:G1HeapRegionSize=32m（Region大小）。

5. ZGC（Z Garbage Collector）

• 特点：

  • 基于染色指针（Colored Pointers）和读屏障（Load Barrier）。

  • 支持TB级堆内存，停顿时间不超过10ms。

  • 无分代（JDK16开始支持分代）。

• 参数：-XX:+UseZGC。

6. Shenandoah

• 特点：与ZGC类似，但通过Brooks指针实现并发整理。

• 参数：-XX:+UseShenandoahGC。

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三、GC调优

1. 调优目标

• 低延迟：减少GC停顿时间（如Web服务、实时系统）。

• 高吞吐量：最大化应用运行时间（如离线计算）。

• 内存占用：减少堆内存使用（资源受限环境）。

2. 调优步骤

1. 监控与分析：

   • 启用GC日志：-Xlog:gc*:file=gc.log:time,uptime:filecount=10,filesize=50M。

   • 使用工具分析：VisualVM、GCViewer、Arthas。

2. 识别问题：

   • 频繁Full GC：老年代空间不足或内存泄漏。

   • 长STW停顿：堆过大或收集器配置不当。

   • 高内存占用：对象生命周期不合理。

3.参数调整

• 堆大小：

  • -Xms和-Xmx设为相同值，避免动态扩容（如-Xms4g -Xmx4g）。

• 新生代比例：

  • -XX:NewRatio=2（老年代:新生代=2:1）。

  • -XX:SurvivorRatio=8（Eden:Survivor =8:1:1）。

• 选择收集器：

  • 低延迟：G1或ZGC。

  • 高吞吐量：Parallel GC。

• 其他参数：

  • -XX:MaxTenuringThreshold=15（对象晋升老年代的年龄）。

  • -XX:+AlwaysPreTouch（启动时预分配内存，减少运行时延迟）。

4. 调优案例

• 案例1：频繁Full GC

  • 现象：老年代快速填满，触发Full GC。

  • 原因：内存泄漏或Survivor区过小导致对象过早晋升。

  • 解决：

    • 检查代码中未关闭的资源（如数据库连接）。

    • 增大新生代：-XX:NewRatio=1（老年代:新生代=1:1）。

    • 调整晋升阈值：-XX:MaxTenuringThreshold=10。

• 案例2：G1长时间停顿

  • 现象：G1的Mixed GC阶段耗时过长。

  • 原因：Region大小不合理或并发标记阶段CPU资源争抢。

  • 解决：

    • 增大Region大小：-XX:G1HeapRegionSize=32m。

    • 限制并发GC线程数：-XX:ConcGCThreads=4。

• 案例3：ZGC低吞吐量

  • 现象：应用吞吐量下降，CPU占用高。

  • 原因：读屏障开销过大。

  • 解决：

    • 减少堆内存大小（如从32G降至16G）。

    • 升级至JDK17+，优化ZGC性能。

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