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JVM 垃圾收集器相关知识总结

news 2025/10/21 11:45:23

一、基本概念

垃圾收集（Garbage Collection，GC）是Java等编程语言中用于自动管理内存的一种机制。它通过回收不再使用的对象所占用的内存，以避免内存泄漏和确保程序的稳定运行。

二、收集方式分类

按工作模式不同：指的是GC线程和工作线程是否一起运行

独占垃圾回收器：只要GC在工作，STW 一直进行到回收完毕，工作线程才能继续执行；
并发垃圾回收器：让GC线程垃圾回收的某些阶段可以和工作线程一起进行。

按回收线程数：指的是GC线程是否串行或并行执行

串行垃圾回收器：一个GC线程完成内存资源的回收工作；
并行垃圾回收器：多个GC线程同时一起完成内存资源的回收工作，充分利用CPU的多核并发执行的计算资源。

三、常见垃圾回收器方案

新生代可以适用的垃圾回收器：Serial(串行收集器)、ParNew(并行年轻代收集器)、Parallel Scavenge(并行回收器)。
Serial：单线程的年轻代垃圾回收器，适用于单核处理器或对暂停时间要求不高的场景。
ParNew：Serial 的多线程版本，可利用多核处理器优势，在多处理器环境下能更快完成垃圾回收。
Parallel Scavenge：关注吞吐量的年轻代垃圾回收器，适合在后台运行且不需要快速响应的任务，目标是在单位时间内完成更多工作。
老年代可以适用的垃圾回收器：CMS(并发标记-清除收集器)、Serial Old(串行老年代收集器)、Parallel Old(并行老年代收集器）。
CMS（Concurrent Mark Sweep）：以获取最短回收停顿时间为目标的老年代垃圾回收器，在垃圾回收过程中能与应用程序线程并发执行，适合对响应时间敏感的应用。
Serial Old：单线程的老年代垃圾回收器，通常作为 CMS 发生 Concurrent Mode Failure 时的后备方案。
Parallel Old：Parallel Scavenge 对应的老年代版本，关注吞吐量，与 Parallel Scavenge 搭配使用，在多核处理器上能有效利用资源进行垃圾回收。
新生代和老年代混合回收器：G1(Garbage First 收集器）和 ZGC(Z Garbage Collector）回收器。
G1（Garbage - First）：整体上采用标记 - 整理算法，局部采用复制算法，不再区分传统的年轻代和老年代，而是将堆划分为多个 Region。它能预测停顿时间，优先回收价值最大的 Region，适用于大内存且对停顿时间有严格要求的应用。
ZGC（Z Garbage Collector）：低延迟垃圾回收器，支持 TB 级别的堆内存，停顿时间可控制在 10ms 以内，通过着色指针和读屏障等技术实现并发回收。

四、串行收集器Serial

单线程、独占式串行，采用复制算法0，简单高效但会造成STW。这是最基础的单线程垃圾回收器，在进行垃圾回收时，整个应用程序会完全停顿，直到回收完成。

新生代：采用复制算法（将存活对象复制到空闲区域，清理原区域）；
老年代：采用标记 - 整理算法（标记存活对象，将其紧凑排列以消除碎片）。

优缺点

优点：实现简单，内存占用极低（无需多线程协调开销），单线程下效率高（无线程切换成本）；
缺点：STW 时间长（随堆大小增加而增长），无法利用多 CPU 资源，不适合高并发场景。

适用场景

客户端应用（如桌面程序、工具类软件），堆内存较小（通常小于 1GB）；
单 CPU 环境或资源受限的嵌入式设备。

五、并行回收收集器Parallel

随着硬件资源的升级，包括内存空间的增大和 CPU 的多核化，传统的 Serial 垃圾收集器面临着性能瓶颈。由于它采用单线程执行垃圾回收操作，无法充分利用多核 CPU 的优势，导致在处理大内存空间时性能下降，垃圾回收时间变得更长。

为了充分发挥多核 CPU 的优势，JVM 推出了 Parallel 收集器系列。Parallel 收集器的设计思想是利用多线程并行执行垃圾回收操作，以提高整个垃圾收集过程的并行度和性能。

相比于传统的 Serial 收集器，Parallel 收集器能更好地适应现代应用的需求，特别是大型内存堆和高吞吐量的场景。

多线程并行、独占式，会产生STW，使用复制算法关注调整吞吐量。此收集器核心目标是提高吞吐量：吞吐量 = 运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间）

新生代：多线程执行复制算法，并行收集；
老年代：多线程执行标记 - 整理算法，并行收集；

注：仍会触发 STW，但因多线程并行，STW 时间比 Serial GC 短。

优缺点

优点：吞吐量高（适合后台计算），多 CPU 下效率优于 Serial GC，可通过参数（如-XX:MaxGCPauseMillis）控制最大 STW 时间；
缺点：STW 时间仍可能较长（尤其堆较大时），对响应时间敏感的应用不友好。

适用场景

批处理任务（如数据分析、日志处理）；
适合在后台运算而不需要太多交互的任务，优先追求高吞吐量而非低延迟。

六、无代限制收集器G1

随着硬件资源的不断升级，可用的内存资源越来越多，这对于垃圾收集器的发展提出了新的挑战。
传统的垃圾收集器采用物理分区的方式将内存分为老年代、新生代、永久代或 MetaSpace，但随着可用内存的增加，某一分代区域的大小可能会达到几十上百 GB。在这种情况下，传统的物理分区收集方式会导致垃圾扫描和清理时间变得更长，性能下降。

G1 垃圾收集器摒弃了传统的物理分区方式，而是将整个内存分成若干个大小不同的 Region 区域。每个Region 在逻辑上组合成各个分代，这样做的好处是可以以 Region 为单位进行更细粒度的垃圾回收。G1 垃圾收集器在进行垃圾回收时，可以针对单个或多个 Region 进行回收，从而提高了收集效率和性能。

核心思想

“优先回收垃圾最多的 Region”（Garbage-First），通过混合收集（同时回收部分新生代和老年代 Region）平衡吞吐量和延迟。

优缺点