JVM垃圾回收器

JVM 的垃圾回收机制主要通过不同的垃圾收集器来实现，垃圾收集器的设计围绕着几个核心目标：吞吐量、延迟（停顿时间）、内存占用，并根据它们工作的内存区域（年轻代/老年代） 和工作方式（串行/并行/并发） 进行分类。

以下是 JVM 中主要的垃圾收集器类型及其特点，通常从两个维度来理解：

维度一：按工作区域（分代收集的核心思想）

1. 年轻代收集器： 主要负责回收年轻代（Young Generation）中的对象。

   • 特点： 年轻代对象的特点是“朝生夕死”，回收频率高，速度快。通常使用复制算法。

   • 常见收集器：

     • Serial：单线程，复制算法。

     • ParNew：Serial 的多线程并行版本，复制算法。

     • Parallel Scavenge：多线程并行，复制算法，关注吞吐量（用户代码运行时间 / (用户代码运行时间 + GC时间)）。

2. 老年代收集器： 主要负责回收老年代（Old Generation）中的对象。

   • 特点： 老年代对象存活率高，回收频率相对较低，但每次回收耗时可能较长。通常使用标记-清除算法或标记-整理算法。

   • 常见收集器：

     • Serial Old：单线程，标记-整理算法（常作为 Serial 的老年代搭档）。

     • Parallel Old：多线程并行，标记-整理算法（Parallel Scavenge 的老年代搭档，关注吞吐量）。

     • CMS：多线程并发，以标记-清除为主，关注低延迟（减少停顿时间）。(注：JDK 9 开始标记废弃，JDK 14 中移除)

3. 整堆收集器： 不再严格区分年轻代和老年代物理区域，将整个堆视为一个或多个逻辑区域（Region）进行管理。

   • 特点： 可以更灵活地分配和回收内存，目标是在可控的停顿时间内处理超大堆。

   • 常见收集器：

     • G1：将堆划分为多个大小相等的 Region，基于 Region 进行回收，使用标记-整理算法，可预测停顿时间模型。 (JDK 9 起成为默认收集器)。

     • ZGC：使用染色指针和读屏障技术，几乎所有阶段都是并发的（STW 时间极短，通常 < 1ms），处理超大堆（TB 级别）能力优秀。关注极低延迟。

     • Shenandoah：与 ZGC 类似，也追求极低停顿时间，使用了不同的技术（如 Brooks 指针、读屏障与写屏障结合）。关注极低延迟。

维度二：按线程工作方式

1. 串行收集器：

   • 使用单个线程进行垃圾回收工作。

   • 特点： 简单高效，没有线程交互开销。但在多核环境下，GC 时会完全暂停所有应用线程（Stop-The-World, STW），导致较长的停顿时间。

   • 代表： Serial (Young), Serial Old (Old)。

2. 并行收集器：

   • 使用多个线程并行地进行垃圾回收工作。

   • 特点： 在多核 CPU 上能显著缩短 STW 停顿时间，提高吞吐量。但 GC 时仍然会暂停所有应用线程。

   • 代表： ParNew (Young), Parallel Scavenge (Young), Parallel Old (Old)。

3. 并发收集器：

   • 垃圾回收的某些阶段（尤其是耗时长的标记阶段）与应用线程并发执行。

   • 特点： 大大减少了 STW 停顿时间，追求低延迟。但会因为并发执行带来额外的 CPU 和内存开销（如写屏障），可能略微降低应用吞吐量。实现更复杂。

   • 代表 

     • CMS：并发标记和并发清除（老年代）
     • G1：并发标记（整个堆）
     • ZGC：几乎所有阶段（标记、转移、重定位）都是并发的
     • Shenandoah：并发标记、并发转移

总结主要的垃圾收集器类型：

1. Serial：单线程STW垃圾回收器，工作在年轻代。采用拷贝算法
2. Serial Old：单线程STW垃圾回收器，工作在老年代。采用标记清除加压缩算法
3. Parallel Scavenge：并行垃圾回收，工作在年轻代。采用拷贝算法
4. Parallel Old：并行垃圾回收，工作在老年代。采用标记清除加压缩算法
5. ParNew：并行垃圾回收，工作在年轻代。专门配合CMS使用
6. CMS（Concurrent Mark-Sweep）：并发标记清除，工作在老年代，采用标记清除算法
7. G1（Garbage First）：垃圾优先算法，采用拷贝算法
8. ZGC（Z Garbage Collector）：一种可伸缩的低延迟垃圾回收器，旨在处理TB级别的堆，同时保持低毫秒级别的停顿时间。它通过使用读屏障和染色指针来实现这一点，并且在垃圾回收过程中几乎不需要暂停应用线程
9. Shenandoah GC：是一种旨在实现低停顿时间的垃圾回收器，它通过并发的方式来回收内存。Shenandoah的目标是减少停顿时间，而不是优化吞吐量，适用于需要大内存和低延迟的应用

关键点：

• 没有单一“最好”的收集器： 选择取决于应用需求（吞吐量 vs 延迟 vs 内存）、堆大小、可用 CPU 资源等。

• 组合使用： 分代收集器通常是年轻代和老年代收集器配对使用（如 ParNew + CMS, Parallel Scavenge + Parallel Old）。

• 发展趋势： 现代 JVM 更倾向于使用像 G1、ZGC、Shenandoah 这样的整堆、低延迟收集器，它们能更好地处理大内存和低延迟需求的应用。

• JDK 默认： JDK 8 默认 Parallel Scavenge + Parallel Old (吞吐量优先)；JDK 9 到 JDK 20 默认 G1；JDK 21 起默认 ZGC（当满足条件时，否则回退到 G1）

JVM 垃圾回收算法

在JVM（Java虚拟机）中，垃圾回收（GC，Garbage Collection）是自动管理内存的一个重要机制，它确保不再被程序使用的对象所占用的内存被释放。JVM的垃圾回收机制主要通过以下三大算法来实现：

1. 标记-清除 (Mark-Sweep)

• 步骤：
  • 清除：扫描堆，回收未标记的对象内存。

  • 标记：遍历对象图，标记所有存活对象。

• 缺点：内存碎片化、效率较低（需全堆扫描）。
• 适用收集器：
  • CMS（老年代）：主要使用标记-清除，避免整理停顿（但最终仍需碎片整理）。

2. 标记-整理 (Mark-Compact)

• 步骤：

  • 标记：同标记-清除。
  • 整理：将存活对象向内存一端移动，消除碎片。
• 优点：解决碎片问题。

• 缺点：移动对象需STW（Stop-The-World），延迟较高

• 适用收集器：
  • Serial Old：老年代默认算法
  • Parallel Old：老年代算法（配合Parallel Scavenge）
  • G1（老年代Region）：回收阶段对部分Region进行整理
  • ZGC & Shenandoah：在并发转移阶段完成整理（通过指针转发技术）

3. 复制算法 (Copying)

• 步骤：

  • 复制完成后，清空 From 区并交换 From/To 角色。

  • 将内存分为两块（From、To），存活对象从 From 复制到 To。

• 优点：无碎片、效率高（只扫描存活对象）

• 缺点：浪费50%内存空间

• 适用收集器（仅年轻代）：

  • Serial：单线程复制

  • ParNew：多线程并行复制

  • Parallel Scavenge：多线程并行复制（关注吞吐量）

  • G1（年轻代Region）：将存活对象复制到Survivor或Old Region​​​

4. 分代收集 (Generational Collection)

• 核心思想：根据对象生命周期划分区域（年轻代、老年代），对不同区域使用不同算法。
• 组合方式：​​​​​​​

  • 老年代：标记-清除或标记-整理（处理长生命周期对象）。

  • 年轻代：复制算法（高效回收短命对象）。

• ​​​​​​​​适用收集器：
  • Serial + Serial Old
  • ParNew + CMS
  • Parallel Scavenge + Parallel Old

JVM 提供了多种具有不同工作方式和目标的垃圾收集器实现，开发者可以根据应用的具体需求进行选择和JVM调优