垃圾回收器核心知识体系

垃圾回收器核心知识体系

目录

1. 垃圾回收器组合关系
2. 主流垃圾回收器详解
   2.1 Serial/SerialOld
   2.2 ParNew
   2.3 CMS
   2.4 Parallel Scavenge/Old
   2.5 G1
3. 综合对比与选型建议
4. 附录：核心参数速查

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一、垃圾回收器组合关系

基础概念

• 分代逻辑：除G1外，垃圾回收器需按年轻代+老年代组合使用
• 组合矩阵（经典JDK8版本）：

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二、主流垃圾回收器详解

2.1 Serial/SerialOld

核心特性

• 工作模式：单线程串行回收
• 代际归属：
  • Serial：年轻代，使用复制算法
  • SerialOld：老年代，使用标记-整理算法
• 适用场景：客户端程序/低配置设备（堆内存<100MB）

运行示意图

[用户线程] ----STW---> [Serial GC线程] ----STW---> [用户线程]

关键参数

-XX:+UseSerialGC  # 显式启用组合

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2.2 ParNew

核心特性

• 工作模式：多线程并行回收（Serial的多线程版本）
• 代际归属：年轻代，使用复制算法
• 搭配组合：CMS（JDK8前主流组合）
• 适用场景：Web服务类应用

性能特点

• 多CPU优势显著，单CPU反而不如Serial
• JDK9后被标记为Deprecated

关键参数

-XX:+UseParNewGC          # 启用ParNew
-XX:ParallelGCThreads=4   # 指定线程数（默认为CPU核数）

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2.3 CMS (Concurrent Mark Sweep)

核心特性

• 设计目标：最小化停顿时间（Low Latency）
• 代际归属：老年代，使用标记-清除算法
• 适用场景：响应敏感的B/S系统（订单、交易等）

四阶段工作流

1. 初始标记（Initial Mark）：STW，标记GC Roots直接关联对象
   –> 耗时极短
2. 并发标记（Concurrent Marking）：与用户线程并发执行
   –> 耗时长但无STW
3. 重新标记（Remark）：STW，修正并发标记期间变化
   –> 通过增量更新/原始快照(SATB)优化
4. 并发清除（Concurrent Sweep）：异步清理死亡对象

缺陷与处理策略

问题类型	现象	解决方案
内存碎片	Full GC频率增加	开启压缩：-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
增量回收失败	Concurrent Mode Failure	后备方案：启用SerialOld
浮动垃圾堆积	提早触发回收（JDK5默认68%）	调整阈值：-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction

关键参数

-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70  # 内存占用触发阈值

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2.4 Parallel Scavenge/Parallel Old

核心特性

• 设计哲学：吞吐量优先（Throughput）
• 适用场景：后台计算型任务（数据分析、批量处理）

代际划分

回收器	代际	算法
Parallel Scavenge	年轻代	复制算法
Parallel Old	老年代	标记-整理算法

自适应策略

关键参数

-XX:+UseParallelGC       # Scavenge + Old组合
-XX:MaxGCPauseMillis=100 # 期望最大暂停时间（ms）
-XX:GCTimeRatio=99       # GC时间占比（公式：1/(1+N)）

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2.5 G1 (Garbage First)

核心突破

1. Region划分：堆被划分为2048个等大Region（1MB~32MB）
2. Mixed GC：统一管理年轻代/老年代，优先回收高收益Region
3. 可预测暂停：通过-XX:MaxGCPauseMillis设置目标

内存模型

+---------------+ +---------------+ +---------------+
| Eden Region   | | Survivor      | | Old Region    |
| (年轻代)       | | Region        | | (含Humongous) |
+---------------+ +---------------+ +---------------+

核心流程

• 年轻代GC（YGC）：

  1. Evacuation阶段：存活对象拷贝到Survivor/Old
  2. 动态调整Eden/Survivor比例

• 混合回收（Mixed GC）：

  1. 初始标记：YGC时捎带完成（Piggybacking）
  2. 并发标记：SATB算法处理快照
  3. 最终标记：处理剩余引用
  4. 筛选回收：根据停顿预测选择Region

关键优化

• Humongous Object：跨Region存储时直接进入老年代
• RSet（Remembered Set）：解决跨Region引用扫描
• JDK12增强：支持自动返回未使用内存（-XX:+G1PeriodicGCInvokesConcurrent）

典型参数

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
-XX:G1HeapRegionSize=16m

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三、综合对比与选型建议

横评对比表

指标	Serial	ParNew+CMS	Parallel	G1
吞吐量	低（单线程）	中等	高	高（大堆更优）
暂停时间	长	短	中等	可预测
内存开销	低	高（RSet等）	低	较高
JDK版本推荐	<8（客户端）	8（Web应用）	8（计算密集型）	≥9（默认）

版本演进指南

• JDK8及之前：

  • 响应优先：ParNew + CMS（需监控Full GC）
  • 吞吐优先：Parallel组合
  • 超大堆试验：G1（>-Xmx16G）

• JDK11+：

  • 默认G1，4G~16G堆平衡选择
  • 超低延迟需求：考虑ZGC（-XX:+UseZGC）

• JDK17+：

  • 生产级ZGC/Shenandoah
  • G1持续优化Region弹性和NUMA感知

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四、附录：核心参数速查

通用参数

-XX:+PrintGCDetails        # 打印GC日志详情
-XX:+PrintGCDateStamps     # 日志中添加时间戳
-Xloggc:/path/to/gc.log    # 输出到独立文件

各回收器启用参数

回收器组合	参数
Serial + SerialOld	-XX:+UseSerialGC
ParNew + CMS	-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC
Parallel组合	-XX:+UseParallelGC
G1	-XX:+UseG1GC