JVM垃圾收集器合集

前言：JVM GC收集器的回顾与比较

JVM（Java虚拟机）中的垃圾收集器是自动管理内存的重要机制，旨在回收不再使用的对象所占用的内存空间。以下是JVM中几种常见的垃圾收集器的详细介绍：

一、新生代垃圾收集器

1. 1.Serial收集器

   • 类型：单线程收集器，新生代。
   • 特点：在垃圾收集时，会暂停所有其他工作线程（Stop-The-World），简单高效，发展历史最悠久。
   • 适用场景：适用于单核处理器环境和Client模式下的虚拟机。

‌Serial收集器是Java虚拟机（JVM）中最基本、历史最悠久的垃圾收集器之一‌。
它是一个单线程的垃圾收集器，这意味着它只会使用一个线程来完成垃圾收集工作。
Serial收集器在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程
（称为“Stop The World”，简称STW），直到垃圾收集结束。
这种设计虽然简单高效，但会导致应用在垃圾收集期间完全停顿，影响用户体验‌

使用场景
Serial收集器主要用于客户端模式下的应用。由于客户端应用的内存通常较小，垃圾收集的时间较短，
只要不频繁发生停顿，这种设计是可以接受的。
此外，Serial收集器也是JDK 1.7及以前版本中Client模式下的默认新生代收集器‌

优缺点
‌优点‌：

‌简单高效‌：由于没有线程交互的开销，Serial收集器在单线程环境下可以获得较高的收集效率。
资源消耗少‌：对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，
专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率‌

‌缺点‌：
‌停顿时间长‌：在进行垃圾收集时，必须暂停所有其他工作线程，导致应用完全停顿，影响用户体验‌
‌不适用于多核环境‌：在多核环境下，由于只有一个线程工作，无法充分利用多核处理器的优势‌

1. 2.ParNew收集器

   • 类型：多线程收集器，新生代。
   • 特点：ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为与Serial收集器相同。
   • 适用场景：适用于多核处理器环境。

‌ParNew是Java虚拟机（JVM）中的一个年轻代垃圾回收器，它是Serial收集器的多线程版本‌。
ParNew主要用于客户端应用或对响应时间敏感的应用程序，能够在多核处理器上发挥优势，
通过多线程并行处理垃圾回收工作，从而缩短Stop-The-World（STW）时间‌

工作原理
ParNew的主要工作原理包括以下几点：
‌并行性‌：ParNew使用多线程同时执行垃圾收集工作，
这使得它能够在多核处理器上发挥优势，缩短STW时间‌
‌分代收集‌：ParNew只关注年轻代的垃圾回收，不处理老年代的垃圾回收。
当年轻代空间不足时，ParNew会被触发‌
‌复制算法‌：在年轻代中采用复制算法，将年轻代分为Eden区和两个Survivor区（S0和S1）。
垃圾收集时，所有存活的对象会被复制到另一个Survivor区或老年代，原来的Survivor区则被清空‌
‌对象晋升‌：经过几次垃圾回收后，存活的对象会被晋升到老年代，以减少年轻代的垃圾回收频率‌

适用场景和优缺点
ParNew适用于以下场景：

‌响应时间敏感的应用程序‌：由于ParNew的多线程特性，它能够在短时间内完成垃圾回收，
减少STW时间，适合交互式应用程序‌
‌服务器端大型系统‌：在多核CPU服务器上，ParNew能够充分发挥硬件优势，
提升回收效率，适用于高并发场景‌

然而，ParNew也有一些局限性：
‌仅限于年轻代‌：ParNew不适用于整个堆的垃圾收集，只专注于年轻代‌
‌不适合高吞吐量应用‌：对于需要最大化CPU利用率的应用程序，ParNew可能不是最佳选择，
因为它的STW时间虽然较短，但总的垃圾收集时间可能较长‌

1. 3.Parallel Scavenge收集器

   • 类型：多线程收集器，新生代。
   • 特点：追求高吞吐量，即CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值高。停顿时间越短越适合需要与用户交互的程序，而高吞吐量则可用高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务。
   • 适用场景：主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。

‌Parallel Scavenge收集器是JVM（Java虚拟机）中的一个垃圾收集器，主要用于新生代垃圾收集，
采用标记-复制算法。‌

Parallel Scavenge收集器是一款新生代收集器，主要关注垃圾收集的吞吐量。
吞吐量是指在一定时间内成功完成的工作量或任务的数量，即用户线程运行时间占总时间的比例。
Parallel Scavenge收集器通过多线程并行执行垃圾回收操作，提高吞吐量‌

Parallel Scavenge收集器的特点
‌并行处理‌：Parallel Scavenge收集器可以并行处理垃圾回收任务，利用多线程提高垃圾收集的效率。
‌关注吞吐量‌：其主要目标是优化系统的整体吞吐量，减少垃圾收集对系统性能的影响。
‌参数调节‌：提供了-XX:MaxGCPauseMillis参数，用于控制最大垃圾回收停顿时间，
通过牺牲部分吞吐量来减少停顿时间‌

Parallel Scavenge收集器的使用场景
Parallel Scavenge收集器适合那些对实时性要求不高，但需要高吞吐量的应用场景。
例如，科学数据计算、批量处理任务等。在这些场景下，虽然垃圾收集会占用一定的时间，
但总体上可以提高系统的处理效率‌

二、老年代垃圾收集器

1. 1.Serial Old收集器

   • 类型：单线程收集器，老年代。
   • 特点：Serial Old是Serial收集器的老年代版本，使用标记整理算法。
   • 适用场景：适用于单核处理器环境和Client模式下的虚拟机。

‌Serial Old收集器是JVM中用于老年代的垃圾收集器‌。
它是Serial收集器的老年代版本，同样采用单线程工作方式，
并且在垃圾收集时需要暂停所有其他工作线程（用户线程），直到垃圾收集完成，
这个过程被称为“Stop The World”（STW）‌

工作原理和特点
Serial Old收集器使用标记-压缩算法进行垃圾收集。它的主要用途包括：

‌与Parallel Scavenge收集器搭配使用‌：在JDK 1.5及以前的版本中，
Serial Old与Parallel Scavenge搭配使用，主要用于服务器端应用。
‌作为CMS收集器的后备方案‌：在CMS收集器无法及时完成垃圾收集时，
Serial Old作为后备方案进行老年代的垃圾收集‌

优缺点
‌优点‌：
‌简单高效‌：由于是单线程工作，实现简单，资源占用少。
‌适用于内存资源有限的环境‌：在客户端模式下，对于几十兆甚至一两百兆的新生代对象，
停顿时间可以控制在可接受范围内‌

‌缺点‌：
‌停顿时间长‌：由于需要暂停所有工作线程，导致应用在垃圾收集期间完全停顿，
影响用户体验和应用程序的响应时间‌

1. 2.Parallel Old收集器

   • 类型：多线程收集器，老年代。
   • 特点：Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。
   • 适用场景：旨在提高系统吞吐量，适用于多线程环境。

‌Parallel Old收集器‌是JVM（Java虚拟机）中的一个垃圾收集器，主要用于老年代的垃圾收集。
它采用标记-压缩算法，并且是基于并行回收的机制。
Parallel Old收集器的主要特点是其高效的并行处理能力和对吞吐量的优化‌

特点
‌并行回收‌：Parallel Old收集器使用多个线程进行垃圾收集，提高了垃圾收集的效率。
‌标记-压缩算法‌：它使用标记-压缩算法来减少内存碎片，提高内存利用率。
‌Stop-the-World机制‌：在进行垃圾收集时，Parallel Old收集器会暂停所有用户线程（Stop-the-World），直到垃圾收集完成。
使用场景
Parallel Old收集器通常用于需要高吞吐量的应用场景。
它通过减少垃圾收集的停顿时间来优化整体的应用性能，适合长时间运行的大规模应用‌

1. 3.CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器 类型

• 定位：老年代并发收集器，需配合年轻代收集器（如ParNew）使用。

特点

1. 目标：以降低停顿时间为核心目标，适合对延迟敏感的应用。

2. 算法：采用**标记-清除（Mark-Sweep）**算法，非压缩式回收。

3. 阶段划分：

   • 初始标记（Initial Mark）：标记GC Roots直接关联的老年代对象（需STW，时间短）。

   • 并发标记（Concurrent Mark）：遍历老年代对象图（与用户线程并发）。

   • 重新标记（Remark）：修正并发标记期间的变化（需STW，时间较长）。

   • 并发清除（Concurrent Sweep）：清理垃圾对象（与用户线程并发）。

优点

• 低停顿：通过并发标记和清除大幅减少STW时间。

• 适合交互式应用：如Web服务器、实时交易系统等需快速响应的场景。

缺点

1. CPU资源敏感：

   • 并发阶段占用线程（默认启动(CPU_Cores + 3)/4个线程），在CPU核心数少（如≤4）时，可能导致应用吞吐量显著下降。

2. 浮动垃圾（Floating Garbage）：

   • 并发清理阶段用户线程可能产生新垃圾，若空间不足会触发Concurrent Mode Failure，退化为Serial Old收集器进行Full GC（长时间STW）。

3. 内存碎片：

   • 标记-清除算法不整理内存，长期运行后碎片化严重，可能导致：

     • 晋升失败（Promotion Failed）：年轻代对象无法晋升到老年代。

     • 即使老年代总空间足够，因碎片无法分配大对象而触发Full GC。

4. 内存预留要求：

   • CMS需预留足够空间（通过-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置触发阈值，默认92%），否则易触发并发失败。

5. JDK版本兼容性：

   • JDK 9+标记为废弃，JDK 14中正式移除，建议使用G1或ZGC替代。

适用场景

• 低延迟需求：要求GC停顿时间控制在几百毫秒以内。

• 中等堆内存（如4GB~8GB），且应用能容忍周期性Full GC。

• CPU资源充足（建议≥4核），避免并发阶段争抢资源。

调优关键参数

参数	默认值	说明
-XX:+UseConcMarkSweepGC	-	启用CMS收集器
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction	92%	老年代使用率阈值触发CMS回收
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection	true	Full GC时进行内存压缩（解决碎片问题，但增加停顿时间）
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction	0	执行多少次Full GC后触发压缩（0表示每次Full GC都压缩）
-XX:ParallelGCThreads	-	设置并发阶段的GC线程数（通常设为CPU核心数的25%~30%）

补充说明

• 与Full GC的关系：CMS的失败（如Concurrent Mode Failure）会触发Serial Old收集器进行Full GC，导致长时间停顿。

• 碎片问题缓解：可通过-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection和-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction参数控制压缩频率，但会增加停顿时间。

• 监控指标：需关注Concurrent Mode Failure次数、Full GC频率及耗时、老年代碎片率等。

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总结

用户对CMS的描述基本正确，但需注意其已逐步被现代收集器（如G1、ZGC）取代，且存在内存碎片、并发失败等固有缺陷。在JDK 8及之前版本中，CMS仍适用于对延迟敏感的中等规模应用，但在新项目中建议优先考虑G1或低延迟的ZGC/Shenandoah。

‌CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）是Java虚拟机（JVM）中的一种垃圾收集器，
主要用于老年代（Old Generation）的垃圾回收‌。
CMS收集器的目标是减少垃圾收集时的应用程序停顿时间（STW，Stop-The-World），
特别适用于对服务响应速度要求较高的场景，如互联网站或B/S系统的服务端Java应用‌

工作原理
CMS收集器使用“标记-清除”算法，其工作过程主要包括以下几个阶段：

‌初始标记‌：暂停所有其他线程，记录下GC Roots直接引用的对象。
‌并发标记‌：从GC Roots开始遍历整个对象图，这个过程可以与用户线程并发进行。
‌重新标记‌：修正并发标记期间因用户程序运行而导致的标记变化。
‌并发清理‌：开启用户线程，GC线程清理未标记的对象。
‌并发重置‌：重置本次GC过程中的标记数据‌

特点
‌并发性‌：CMS设计为并发低停顿的垃圾收集器，使得在垃圾回收过程中用户线程不会停顿或停顿时间很短，
有助于保障系统的响应速度‌

‌标记-清除算法‌：CMS使用标记-清除算法进行垃圾回收，
这种算法在处理过程中需要多次暂停用户线程以确保准确性‌

‌适用场景‌：由于CMS收集器能有效减少停顿时间，特别适合那些对用户体验要求较高的应用场景，
如服务器端应用和需要高并发处理的系统‌

三、兼顾新生代和老年代的垃圾收集器 G1收集器

1. G1（Garbage-First）收集器

   • 类型：并行与并发收集器，适用于新生代和老年代。
   • 特点：
     • ‌并行与并发‌：G1收集器能够充分利用多核处理器的优势，通过并行执行垃圾收集任务来提高效率。同时，它的大部分工作都是与应用线程并发执行的，从而减少了停顿时间‌。
     • ‌分区域收集‌：G1将整个堆内存划分为多个大小相等的独立区域（Region），这些区域在逻辑上是连续的，但在物理内存上可能不是连续的。每个Region都可以扮演Eden区、Survivor区或Old区等角色。这种设计使得G1 GC能够更加灵活地进行内存管理和垃圾收集‌。
     • ‌优先回收垃圾最多区域‌：G1通过跟踪每个Region中的垃圾堆积情况，并根据回收价值和成本进行排序，优先回收垃圾最多的Region。这种策略有助于最大限度地提高垃圾收集的效率‌。
     • ‌可预测的停顿时间‌：G1通过建立一个可预测的停顿时间模型，允许用户明确指定在一个特定时间片段内，垃圾收集所造成的停顿时间不得超过某个阈值。这使得G1非常适合需要严格控制停顿时间的应用场景‌。
   • 适用场景：面向服务端应用，能充分利用多CPU、多核环境，适用于需要低延迟和可预测停顿时间的大型应用程序。

   • 适合大堆内存

     • G1通过 Region分区机制（默认2048个分区）有效管理大内存堆（4GB~数十GB），规避传统分代GC的全堆扫描问题。

     • 实际应用案例：在16GB以上堆内存场景中，G1的 平均停顿时间 通常比CMS低30%~50%。

   • 简化调优

     • 核心参数确实聚焦于：

       • -Xms/-Xmx（堆初始/最大值）

       • -XX:MaxGCPauseMillis（目标最大停顿时间，默认200ms）

     • 例如，仅设置以下参数即可获得较好表现：

       -XX:+UseG1GC -Xms8g -Xmx8g -XX:MaxGCPauseMillis=150

   • Garbage First设计原则

     • G1通过 回收效益优先模型（Predictive Model），优先回收垃圾比例高（Garbage-First）的Region，确保内存利用率合理。

     • 统计表明，G1的 空间释放效率 比CMS高15%~25%，尤其适合对象生命周期差异大的场景。

   • 进阶调优场景：

     • Region大小调整（-XX:G1HeapRegionSize）：影响大对象分配和回收粒度。

     • 并发线程数（-XX:ConcGCThreads）：控制并发标记阶段的吞吐量。

     • 混合回收策略（-XX:G1MixedGCCountTarget）：调整Old Region回收比例。

     • 示例调优参数：

       -XX:G1HeapRegionSize=16m \
       -XX:ConcGCThreads=4 \
       -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=85

   • G1收集器的历史背景和替代CMS收集器

     G1收集器在JDK 7u4版本中被正式推出，并在JDK 9中成为默认的垃圾收集器。它取代了CMS收集器，后者在JDK 9中被废弃，并在JDK 14中被完全移除。G1的设计目的是为了适应不断扩大的内存和增加的处理器数量，进一步降低暂停时间，同时兼顾良好的吞吐量‌

   • 总结：G1是一款面向大堆内存的垃圾收集器，通过Region分区和Garbage-First策略实现低停顿目标。其调优参数简单直观（堆大小和最大暂停时间），但需注意元数据内存开销。在JDK 11+中，G1通过算法优化显著提升了吞吐量和稳定性，成为多数场景的默认选择

性能数据参考

指标	G1（JDK 17）	CMS（JDK 8）	ZGC（JDK 17）
最大堆内存支持	16TB	16GB	16TB
平均停顿时间（ms）	50~200	100~300	1~10
吞吐量损失	5%~10%	10%~20%	<5%
内存开销	中等	低	高

参考：详解 JVM Garbage First(G1) 垃圾收集器-腾讯云开发者社区-腾讯云