JVM 垃圾回收算法有哪些？CMS、G1、ParNew、Serial、Parallel 原理是什么？

作者：碼哥字節(jié) 2024-12-03 09:01:33

垃圾回收算法是垃圾收集器的基礎(chǔ)。JVM 中經(jīng)典的算法包括標(biāo)記-清除、復(fù)制和標(biāo)記-整理，它們共同構(gòu)成了分代垃圾回收策略的理論基礎(chǔ)。

在 Java 的世界里，垃圾回收（Garbage Collection，GC）就像一位默默奉獻(xiàn)的清潔工，負(fù)責(zé)清理那些不再被需要的對(duì)象。

沒(méi)有 GC，我們的程序內(nèi)存遲早會(huì)被耗盡。但 GC 的運(yùn)作并非無(wú)代價(jià)，不合適的垃圾回收策略可能導(dǎo)致高延遲甚至性能瓶頸。

本章將帶你深入理解 JVM 的垃圾回收機(jī)制，從垃圾回收算法到收集器設(shè)計(jì)，再到 GC 日志分析與調(diào)優(yōu)實(shí)踐。

通過(guò)對(duì)這些內(nèi)容的掌握，您將能在高并發(fā)場(chǎng)景下為 JVM 選擇最佳的垃圾回收管理方案。

垃圾回收重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域

在 Java 虛擬機(jī)中，垃圾回收機(jī)制主要關(guān)注于運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的 "堆空間" 中的數(shù)據(jù)，其次關(guān)注的是 "方法區(qū)" 中的數(shù)據(jù)。

從垃圾回收頻率上講，新生代、老年代、字符串常量池和元空間都是垃圾回收的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

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垃圾回收算法

標(biāo)記-清除算法（Mark-Sweep）

算法原理

標(biāo)記-清除是最早的垃圾回收算法之一，主要分為兩個(gè)階段：

標(biāo)記階段：從 GC Roots 出發(fā)，遍歷所有可達(dá)對(duì)象并將其標(biāo)記為存活對(duì)象。
清除階段：回收未被標(biāo)記的對(duì)象，釋放其占用的內(nèi)存。

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優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適合存活對(duì)象少的場(chǎng)景。

缺點(diǎn)：內(nèi)存碎片化：未被回收的對(duì)象分布不連續(xù)，可能導(dǎo)致大對(duì)象無(wú)法分配；性能低下，需要完整遍歷堆，耗時(shí)較長(zhǎng)。

標(biāo)記-清除算法通常用于老年代的垃圾回收，適合生命周期較長(zhǎng)、存活率高的對(duì)象。

復(fù)制算法（Copying）

復(fù)制算法將堆分為兩塊相等的內(nèi)存區(qū)域（From 和 To）。每次 GC 時(shí)，只掃描 From 區(qū)，將存活對(duì)象復(fù)制到 To 區(qū)，最后清空 From 區(qū)。

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優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有碎片化問(wèn)題，內(nèi)存分配效率高。

缺點(diǎn)：浪費(fèi)內(nèi)存：需要額外空間保存對(duì)象；不適合老年代，存活對(duì)象多時(shí)復(fù)制成本高。

復(fù)制算法通常用于新生代回收，新生代對(duì)象存活率低，復(fù)制成本較低。

標(biāo)記-整理算法（Mark-Compact）

標(biāo)記-整理（Mark-Compact）是標(biāo)記-清除的改進(jìn)版，標(biāo)記階段相同，但清除階段會(huì)將存活對(duì)象移動(dòng)到內(nèi)存的一端，然后清理剩余空間。

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優(yōu)點(diǎn)：消除了內(nèi)存碎片。不需要額外空間。

缺點(diǎn)：對(duì)象移動(dòng)成本較高。

標(biāo)記-整理算法通常用于老年代回收，解決老年代內(nèi)存碎片問(wèn)題。

分代收集算法

上面所介紹的標(biāo)記清除算法、復(fù)制算法和標(biāo)記整理算法，它們各自都具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，每種算法都有各自相適應(yīng)的場(chǎng)景，沒(méi)有一種算法可以完全替代另一種算法。

在這樣的背景下分代收集算法孕育而生，由于每個(gè)對(duì)象的生命周期各不相同，有的對(duì)象可以長(zhǎng)期存活，有的對(duì)象朝生夕滅。

因此，針對(duì)不同生命周期的對(duì)象，可以采取不同的回收方式來(lái)提高回收效率。

在一般情況下，市面上大多數(shù) Java 虛擬機(jī)中的 GC 都采用分代收集，即將堆空間劃分為新生代和老年代，不同生命周期的對(duì)象放到不同的區(qū)域中進(jìn)行存儲(chǔ)，并且針對(duì)不同的區(qū)域采用不同的回收策略，這就是我們常說(shuō)的分代收集 (Generational Collection)。

垃圾收集器深入解析

JVM 中的垃圾收集器基于上述算法設(shè)計(jì)，針對(duì)不同場(chǎng)景優(yōu)化性能。接下來(lái)，我們深入剖析常見(jiàn)收集器的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用場(chǎng)景。

Serial 收集器

Serial 收集器是單線程收集器，采用復(fù)制算法回收新生代，標(biāo)記-整理算法回收老年代。GC 時(shí)會(huì) Stop-The-World（STW），暫停所有應(yīng)用線程。

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特點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，單線程操作效率高。。
使用復(fù)制算法回收新生代，標(biāo)記-整理算法回收老年代。
沒(méi)有線程切換的開(kāi)銷。
GC 時(shí)應(yīng)用完全暫停，延遲較高。

適用于單線程應(yīng)用或內(nèi)存占用較小的場(chǎng)景，如嵌入式設(shè)備和簡(jiǎn)單的命令行工具。

-XX:+UseSerialGC: 啟用 Serial 新生代和 Serial Old 老年代回收器。

ParNew 回收器

arNew GC 是一款并行回收器，除了在進(jìn)行垃圾回收時(shí)使用多線程并發(fā)執(zhí)行外，其它方面幾乎和 Serial GC 一致，包括回收算法、Stop The World、對(duì)象分配規(guī)則和回收策略等，因此常稱 ParNew GC 為 Serial GC 的多線程版本。

不過(guò) ParNew GC 屬于新生代回收器，只能對(duì)新生代中的對(duì)象進(jìn)行回收。

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◆ 優(yōu)點(diǎn):

① 支持并行回收: ParNew GC 支持多線程并行進(jìn)行回收，可以利用多核 CPU 的優(yōu)勢(shì)，提高垃圾回收的效率；

② 回收效率高且停頓時(shí)間短: ParNew GC 是一個(gè)專門(mén)用于回收年輕代的垃圾垃圾回收器，使用的是復(fù)制算法，并且回收的空間比價(jià)小，所以回收效率高且停頓時(shí)間短；

◆ 缺點(diǎn):

① 浪費(fèi)部分內(nèi)存空間: ParNew GC 使用的是復(fù)制算法，需要將內(nèi)存空間拆成兩份，每次只使用其中一份內(nèi)存空間存儲(chǔ)對(duì)象，所以比較浪費(fèi)內(nèi)存空間；

② 老年代垃圾回收效率低: 由于 ParNew GC 只用于年輕代垃圾回收，而不處理老年代垃圾回收，因此老年代的垃圾回收效率低下，容易導(dǎo)致 Full GC；

◆ ParNew 回收器常配置參數(shù)。

① -XX:+UseParNewGC: 啟用新生代回收器 ParNew。

② -XX:ParallelGCThreads: 配置 GC 的線程數(shù)量，通常推薦該值和 CPU 核心數(shù)量保持一致。

Parallel 收集器

Parallel 收集器使用多線程并行回收新生代（復(fù)制算法）和老年代（標(biāo)記-整理算法），以提高吞吐量。

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特點(diǎn):

多線程并行回收，適合多核 CPU。
優(yōu)化吞吐量，回收時(shí)應(yīng)用暫停時(shí)間較長(zhǎng)。
STW 時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)低延遲場(chǎng)景不友好。

適用于吞吐量?jī)?yōu)先的后臺(tái)任務(wù)，如大數(shù)據(jù)處理和批量計(jì)算。

Parallel 回收器常配置參數(shù):

-XX:+UseParallelGC: 啟用新生代回收器 Parallel Scavenge。
-XX:+UseParallelOldGC: 啟用老年代回收器 Parallel Old。
-XX:ParallelGCThreads: 配置 GC 的線程數(shù)量，通常推薦該值和 CPU 核心數(shù)量保持一致。
-XX:MaxGCPauseMillis: 配置 GC 回收最大停頓時(shí)間，即 Stop The World 時(shí)間。
-XX:GCTimeRatio：配置 GC 回收時(shí)間占總時(shí)間的比例，用于衡量吞吐量的大小，取值范圍為 0-100，默認(rèn)值為 99，也就表示垃圾回收時(shí)間不超過(guò) 1%。

該參數(shù)與 -XX:MaxGCPauseMillis 參數(shù)有一定矛盾性，因?yàn)樵O(shè)置較短的停頓時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致更多的 GC 次數(shù)，從而增加總的 GC 時(shí)間，使得 GCTimeRatio 容易超過(guò)設(shè)定的比例。

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy:配置 Parallel Scavenge 回收器具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略。
在這種模式下，新生代 Eden 和 Survivor 的比例、晉升老年代的對(duì)象年齡等參數(shù)會(huì)被自動(dòng)調(diào)整，期望在堆大小、吞吐量和停頓時(shí)間之間達(dá)到最佳平衡。
在手動(dòng)調(diào)優(yōu)比較困難的場(chǎng)合，可以直接使用這種自適應(yīng)的方式，僅指定虛擬機(jī)的最大堆、目標(biāo)的吞吐量 (GCTimeRatio) 和停頓時(shí)間 (MaxGCPauseMillis)，讓虛擬機(jī)自己完成調(diào)優(yōu)工作。

CMS 收集器

CMS 收集器使用并發(fā)回收方式，降低 STW 時(shí)間，這款回收器是 HotSpot 虛擬機(jī)中第一款真正意義上的并發(fā)回收器，它第一次實(shí)現(xiàn)了讓垃圾收集線程與用戶線程同時(shí)工作。

CMS GC 是一款老年代回收器，其主要回收目標(biāo)就是老年代中的對(duì)象，使用的是標(biāo)記清除算法。

老年代回收分為四個(gè)階段：

初始標(biāo)記：標(biāo)記 GC Roots 可達(dá)的對(duì)象（STW）。
并發(fā)標(biāo)記：并發(fā)掃描對(duì)象引用關(guān)系（無(wú) STW）。
重新標(biāo)記：處理并發(fā)期間新增的對(duì)象（STW）。
并發(fā)清除：清理無(wú)效對(duì)象（無(wú) STW）。

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特點(diǎn):

并發(fā)回收，減少暫停時(shí)間。
存在內(nèi)存碎片化問(wèn)題。
并發(fā)時(shí)可能影響應(yīng)用性能。

適用于響應(yīng)時(shí)間敏感的場(chǎng)景，如 Web 應(yīng)用和在線交易系統(tǒng)。

CMS 回收器可配置參數(shù)：

-XX:+UseConMarkSweepGC: 啟用 CMS 老年代回收器。
-XX:ParallelcMSThreads: 設(shè)置 CMS GC 執(zhí)行時(shí)的線程數(shù)量。
-XX:CMSInitiatingOccupanyFraction: 設(shè)置堆內(nèi)存使用率的閾值，一旦達(dá)到該閾值，便開(kāi)始進(jìn)行回收。
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection: 設(shè)置是否在執(zhí)行完 Full GC 前對(duì)內(nèi)存空間進(jìn)行壓縮整理，以此避免內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction: 設(shè)置在執(zhí)行多少次 Full GC 后對(duì)內(nèi)存空間進(jìn)行壓縮整理。

G1 收集器

G1 將堆劃分為多個(gè)固定大小的 Region，每個(gè) Region 都是連續(xù)的一段內(nèi)存區(qū)域，大小在 1MB ~ 32MB 之間，且為 2 的 N 次冪，具體大小根據(jù)堆的實(shí)際大小而定。

并且每個(gè) Region 扮演著不同的角色，比如可以是 Eden 區(qū)、Survivor 區(qū)、Old 區(qū)或 Humongous 區(qū)等，通過(guò)全局標(biāo)記統(tǒng)計(jì)每個(gè) Region 的垃圾量，優(yōu)先回收垃圾最多的 Region，降低停頓時(shí)間。

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G1 回收器整體使用的是標(biāo)記-整理算法，局部使用的是復(fù)制算法。

在 G1 中支持三種回收模式，分別為 Young GC、Mixed GC 和 Full GC:

Young GC: 對(duì)新生代中的 Region 進(jìn)行回收。當(dāng)新生代的空間不足時(shí)會(huì)觸發(fā) Young GC，回收新生代中的垃圾對(duì)象。
Mixed GC: 這是一種混合回收模式，不僅回收新生代中的 Region，還會(huì)回收部分老年代中的 Region。這種模式旨在減少 Full GC 的頻率，通過(guò)定期回收部分老年代 Region 來(lái)降低整個(gè)堆的垃圾積累。
Full GC: 對(duì)整個(gè)堆空間的所有 Region 進(jìn)行回收，包括新生代和老年代。Full GC 通常在 G1 無(wú)法通過(guò) Mixed GC 清理足夠的空間時(shí)觸發(fā)，或者在某些特殊情況下觸發(fā) (如系調(diào)用 system.gc() 方法觸發(fā))。

G1 回收器優(yōu)缺點(diǎn)

◆ 優(yōu)點(diǎn):

可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間: G1 GC 將堆空間分成多個(gè)大小相等的 Region (區(qū)域)，這些 Region 可以作為 Eden 區(qū)、Survivor 區(qū)或 Old 區(qū)等。通過(guò)在多個(gè) Region 中執(zhí)行并發(fā)垃圾收集，G1 能夠?qū)崿F(xiàn)可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間，這意味著垃圾收集的停頓時(shí)間可以預(yù)測(cè)和控制；

高效的內(nèi)存回收: G1 GC 使用增量式的垃圾收集算法，不僅在特定區(qū)域中進(jìn)行垃圾回收，還在整個(gè)堆中進(jìn)行。這種全局性的垃圾回收方式使得 G1 能夠高效地回收內(nèi)存，并減少垃圾收集的停頓時(shí)間；

優(yōu)化的內(nèi)存分配: G1 GC 使用了一種名為 Remembered Set 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以追蹤對(duì)象之間的引用，從而在內(nèi)存分配時(shí)避免掃描整個(gè)堆。這一特性可以顯著減少內(nèi)存分配的時(shí)間；

空間整理: G1 GC 通過(guò)對(duì)未使用的 Region 進(jìn)行空間整理，將零散的空閑空間合并成更大的連續(xù)空間塊，從而優(yōu)化內(nèi)存使用，提高堆的利用率；

◆ 缺點(diǎn):

對(duì)硬件資源要求較高: G1 GC 需要在多核 CPU 和大內(nèi)存環(huán)境下運(yùn)行才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。如果在較小的硬件資源上運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行緩慢或 OutOfMemoryError 等問(wèn)題；

初始標(biāo)記和最終標(biāo)記的時(shí)間較長(zhǎng): G1 GC 的初始標(biāo)記和最終標(biāo)記階段需要單線程執(zhí)行，并且會(huì)暫停應(yīng)用程序。在處理大型內(nèi)存空間時(shí)，這兩個(gè)階段可能會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的停頓時(shí)間；

混合收集過(guò)程可能會(huì)影響吞吐量: G1 GC 的混合收集過(guò)程涉及多次暫停應(yīng)用程序，這可能會(huì)對(duì)應(yīng)用程序的吞吐量產(chǎn)生一定的影響；

責(zé)任編輯：武曉燕來(lái)源：碼哥跳動(dòng)