深入解析JVM垃圾收集器

本篇文章主要基于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践 第2版》，深入探讨了Java虚拟机中的垃圾收集器（GC），并提供了详细的算法和实现分析。

GC概述

垃圾收集器是Java虚拟机（JVM）用于自动回收不再使用的对象所占用的内存空间的关键组件。不同的JVM实现了多种垃圾收集器，每种收集器都有其特定的算法和适用场景。本文重点讨论HotSpot虚拟机中的垃圾收集器。

上图展示了HotSpot虚拟机中7种垃圾收集器及其组合方式。这些收集器可以分为新生代和老年代两种类型，并且某些收集器之间可以通过双箭头连线表示可以协同工作。

Serial 收集器

Serial 是一个单线程的新生代收集器，使用复制算法。它在进行垃圾收集时会暂停所有其他线程（Stop The World）。尽管这种做法会导致用户程序暂时停止运行，但在某些情况下，如桌面应用程序或单CPU系统中，其简单高效的特点仍然使其成为默认选择。

上图展示了 Serial 和 Serial Old 收集器的工作流程。Serial 收集器采用复制算法处理新生代，而 Serial Old 则使用标记-整理算法处理老年代。

ParNew 收集器

ParNew 是 Serial 的多线程版本，同样使用复制算法处理新生代。除了能够并发执行多个线程外，ParNew 在控制参数、收集算法等方面与 Serial 基本相同。它是许多服务器模式下虚拟机的首选新生代收集器，尤其适合与 CMS 收集器配合使用。

这里展示了 ParNew 和 Serial Old 收集器的运行示意图。ParNew 使用复制算法处理新生代，而 Serial Old 则继续使用标记-整理算法处理老年代。

Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge 也是一个多线程的新生代收集器，但它的设计目标是最大化吞吐量而不是最小化停顿时间。因此，它更适合于后台计算任务较多的应用场景。Parallel Scavenge 提供了两个关键参数来调整性能：-XX:MaxGCPauseMillis 控制最大停顿时间和 -XX:GCTimeRatio 设置吞吐量比例。

Serial Old 收集器

Serial Old 是 Serial 收集器的老年代版本，使用标记-整理算法。它主要用于客户端模式下的虚拟机，但在服务端模式下也有两个特殊用途：一是与 Parallel Scavenge 搭配使用；二是在 CMS 发生并发模式失败时作为后备方案。

Parallel Old 收集器

Parallel Old 是 Parallel Scavenge 的老年代版本，使用多线程和标记-整理算法。自 JDK 1.6 起引入，它解决了之前仅能与 Serial Old 配合使用的问题，使得 Parallel Scavenge 和 Parallel Old 成为了一对高效的吞吐量优先组合。

CMS 收集器

CMS (Concurrent Mark Sweep) 是一种以最短回收停顿时间为目标的老年代收集器。它通过四个步骤完成垃圾回收：初始标记、并发标记、重新标记和并发清除。其中，初始标记和重新标记需要暂停所有用户线程，而并发标记和并发清除则可以与用户线程同时进行。

尽管 CMS 收集器具有低停顿的优点，但它也存在一些缺点，例如对 CPU 资源敏感、无法处理浮动垃圾以及可能导致空间碎片等问题。

G1 收集器

G1 (Garbage-First) 是一款面向服务端应用的垃圾收集器，旨在替代 CMS 收集器。G1 不再从物理上区分新生代和老年代，而是将整个 Java 堆划分为多个大小相等的独立区域（Region）。每个 Region 可以根据需要动态地分配给新生代或老年代。

G1 收集器的主要特点包括：

• 并行与并发：充分利用多核处理器的优势，减少 Stop The World 的停顿时间。


• 分代收集：针对新对象和老对象采用不同的处理策略，提高收集效率。


• 空间整合：通过标记-整理和复制算法避免产生空间碎片。


• 可预测的停顿：支持指定最大停顿时间，确保应用性能稳定。

此外，G1 还引入了 Remembered Set 和 Collection Set 等机制，进一步优化了跨代引用的处理过程。

垃圾收集参数

要查询当前使用的垃圾收集器，可以使用以下命令：

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

此命令会显示所有被设置过的 JVM 参数及其值。以下是常用的垃圾收集相关参数及其描述：