一篇文章拆解Java主流垃圾回收器及其调优方法。

本文将深入且核心的Java性能优化话题。详细拆解Java主流垃圾回收器及其调优方法。

一、 图解概览：垃圾回收器与算法关系

首先，通过下图可以快速了解各垃圾回收器、其使用的算法以及它们之间的组合关系：

---

二、 各垃圾回收器详解与调优

1. Serial / Serial Old

• 算法：
  • 年轻代 (Serial)：复制算法 (Copying)。将Eden和Survivor From中存活的对象复制到Survivor To区，然后清空Eden和From。
  • 老年代 (Serial Old)：标记-整理算法 (Mark-Compact)。标记存活对象，然后将它们向内存一端移动，清理掉边界以外的内存。
• 特点：单线程，GC时会暂停所有用户线程（Stop-The-World）。
• 适用场景：Client模式下的JVM；内存资源受限的嵌入式系统。
• 调优：通常无需特意调优。若使用，关注点与其他收集器类似（堆大小、代大小比例）。

2. ParNew

• 算法：复制算法 (Copying)（同Serial）。
• 特点：Serial收集器的多线程并行版本，是CMS收集器在年轻代的默认搭档。
• 适用场景：与CMS搭配使用，用于服务端应用的年轻代收集。
• 调优参数：
  • -XX:ParallelGCThreads=N：设置用于年轻代GC的并行线程数。通常设置为等于或略小于CPU核心数。

3. Parallel Scavenge / Parallel Old (JDK 8默认)

• 算法：
  • 年轻代 (Parallel Scavenge)：复制算法 (Copying)。
  • 老年代 (Parallel Old)：标记-整理算法 (Mark-Compact)。
• 特点：并行的、多线程的，但其目标是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）（吞吐量 = 运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + GC时间)）。
• 适用场景：后台运算、科学计算、批处理任务，不太关心单个请求的延迟。
• 调优参数：
  • -XX:MaxGCPauseMillis=N：设置期望的最大GC停顿时间（毫秒）。JVM会尽力但不保证实现。调小此值可能会增加GC频率，反而降低吞吐量。
  • -XX:GCTimeRatio=N：设置吞吐量目标（0-100）。值是比率，例如19表示GC时间占总时间的1/(1+19)=5%。默认99，即1%的时间用于GC。
  • -XX:+UseAdaptiveSizePolicy（默认开启）：开启后，JVM会动态调整年轻代大小（-Xmn）、Eden与Survivor比例（-XX:SurvivorRatio）、晋升老年代年龄阈值（-XX:MaxTenuringThreshold）等参数以接近设定的停顿时间或吞吐量目标。这是Parallel系收集器的一大优势，调优时通常只需设置最大堆(-Xmx)和性能目标(-MaxGCPauseMillis/-GCTimeRatio)，细节由JVM自适应完成。

4. CMS (Concurrent Mark Sweep)

• 算法：标记-清除算法 (Mark-Sweep)。但为了弥补标记-清除产生的碎片，提供了参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection（默认开启）在Full GC时进行碎片整理（Mark-Compact）。
• 特点：以获取最短回收停顿时间为目标，大部分GC工作（标记阶段）与用户线程并发执行。
• 适用场景：Web服务器、B/S系统前端，重视服务的响应速度。
• 调优参数：
  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=N：至关重要。设置老年代空间使用率达到多少百分比时触发CMS收集（JDK5默认68，JDK6+默认92）。不宜过高或过低。过高可能导致“并发模式失败”（Concurrent Mode Failure），触发Serial Old；过低则GC过于频繁。
  • -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：强制JVM始终使用CMSInitiatingOccupancyFraction的值作为触发条件，而不是动态调整。
  • -XX:ConcGCThreads / -XX:ParallelGCThreads：设置并发标记和并发整理的线程数。通常为ParallelGCThreads的1/4左右。
  • 应对并发模式失败：如果日志中出现Concurrent Mode Failure，说明CMS跟不上对象分配/晋升的速度。解决方案：1) 降低CMSInitiatingOccupancyFraction触发百分比；2) 增加老年代大小（即整个堆大小）；3) 增加后台GC线程数；4) 或者换用G1收集器。

5. G1 (Garbage-First) (JDK9+默认)

• 算法：整体看是标记-整理（Mark-Compact），局部（两个Region之间）是复制算法（Copying）。
• 特点：将堆划分为多个大小相等的Region，优先回收垃圾最多的区域（Garbage-First名的由来），同时能预测停顿时间。
• 适用场景：面向服务端，大内存（>4G）、多核心机器，追求低延迟且吞吐量也不错的通用型收集器。
• 调优参数：
  • -XX:MaxGCPauseMillis=N：设置期望的最大停顿时间目标（如200ms）。这是G1的核心调优参数，G1会尽力通过调整每次回收的Region数量来达成目标。
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=N（IHOP）：设置整个堆使用率达到多少时触发并发标记周期（默认45%）。这是G1的“老年代”填充触发机制。如果Mixed GC来不及回收，导致Full GC，可以调低此值，让G1更早开始标记。
  • -XX:ConcGCThreads=N：设置并发标记阶段的线程数。
  • Region大小：使用-XX:G1HeapRegionSize=M设置，范围1M-32M，必须是2的幂。G1会自动计算，通常无需手动指定。

6. ZGC & Shenandoah

• 算法：并非传统分代算法，而是基于Region的、几乎全阶段并发的革命性算法。ZGC使用着色指针（Colored Pointers）和读屏障（Load Barrier） 来实现并发整理。
• 特点：超低停顿（通常<10ms，且几乎不随堆大小增长而增加），高吞吐量损耗。
• 适用场景：超大堆（TB级别）且对延迟极度敏感的应用（如金融交易、实时系统）。
• 调优：目前调优目标相对简单，主要是设定最大停顿时间。
  • -XX:MaxGCPauseMillis=N：同样用于设定停顿时间目标。
  • 分配速率：这类收集器的性能瓶颈往往在于对象的分配速率（Allocation Rate）。如果分配太快，GC跟不上，也会触发STW。优化代码，减少对象分配是根本。

---

三、 通用调优思路与步骤

1. 明确目标：是追求高吞吐量（Parallel Scavenge/Old）还是低延迟（CMS, G1, ZGC）？这是选择收集器的首要依据。
2. 监控先行：没有监控就没有调优。使用jstat, gcviewer, GCeasy等工具分析GC日志，关注：
   • YoungGC/FulllGC频率和耗时
   • 吞吐量和停顿时间
   • 老年代内存变化趋势
   • 是否出现Concurrent Mode Failure或Promotion Failed等错误。
3. 设置堆大小：-Xms和-Xmx设为相同值，避免堆震荡。
4. 选择收集器：根据目标和监控结果选择。
   • JDK8：吞吐量选 -XX:+UseParallelGC，低延迟选 -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC。
   • JDK11+：优先选择G1 (-XX:+UseG1GC)，超大堆或极致延迟选ZGC (-XX:+UseZGC)。
5. 精细化调优：根据收集器特性设置上述提到的关键参数（如CMS的CMSInitiatingOccupancyFraction，G1的MaxGCPauseMillis）。
6. 检查代码：很多时候GC问题的根源是代码问题，如内存泄漏、过度分配、不必要的对象创建等。JVM调优是最后的手段，而非首选。

希望这份详细的总结能帮助读者更好地理解和调优Java垃圾回收器！