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垃圾回收器

news 来源：原创 2025/9/22 3:33:22

一、GC分类与性能指标

1.垃圾回收器概述:

垃圾收集器没有在规范中进行过多的规定，可以由不同的厂商、不同版本的JVM来实现。

由于JDK的版本处于高速迭代过程中，因此Java发展至今已经衍生了众多的GC版本。

从不同角度分析垃圾收集器，可以将GC分为不同的类型:

按线程数分，可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器

串行回收指的是在同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束:在诸如单CPU处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合，串行固收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。所以，串行回收默认被应用在客户端的client模式下的JVM中;在并发能力比较强的CPU上，并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器。

和串行回收相反，并行收集可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用了“Stop-the-world”机制。

按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器:

并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间

独占式垃圾回收器(stop the world)一旦运行，就停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。

按碎片处理方式分，可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器:

压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片。

非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作

按工作的内存区间分，又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器

2.评估GC的性能指标:

吞吐量:运行用户代码的时间占总运行时间的比例

垃圾收集开销:吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例

暂停时间:执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间

收集频率:相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率

内存占用:Java 堆区所占的内存大小

快速:一个对象从诞生到被回收所经历的时间

暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展，内存占用多些越来越能容忍，硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响，即提高了吞吐量。而内存的扩大，对延迟反而带来负面效果。

主要关注吞吐量和暂停时间

3.吞吐量:

吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)

这种情况下，应用程序能容忍较高的暂停时间，因此，高吞吐量的应用程序有更长的时间基准，快速响应是不必考虑的。

吞吐量优先，意味着在单位时间内，STW的时间最短

4.暂停时间:

"暂停时间”是指一个时间段内应用程序线程暂停，让GC线程执行的状态

暂停时间优先，意味着尽可能让单次STW的时间最短

高吞吐量较好因为这会让应用程序的最终用户感觉只有应用程序线程在做“生产性”工作。直觉上，吞吐量越高程序运行越快。

低暂停时间(低延迟)较好因为从最终用户的角度来看不管是GC还是其他原因导致一个应用被挂起始终是不好的。这取决于应用程序的类型，有时候甚至短暂的288毫秒暂停都可能打断终端用户体验。因此，具有低的较大暂停时间是非常重要的，特别是对于一个交互式应用程序。

不幸的是”高吞吐量”和”低暂停时间”是一对相互竞争的目标(矛盾):

因为如果选择以吞吐量优先，那么必然需要降低内存回收的执行频率，但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收;

相反的，如果选择以低延迟优先为原则，那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间，也只能频繁地执行内存回收，但这又引起了年轻代内存的缩减和导致程序吞吐量的下降。

在设计(或使用)GC算法时，我们必须确定我们的目标:一个GC算法只可能针对两个目标之一(即只专注于较大吞吐量或最小暂停时间)，或尝试找到一个二者的折衷;

现在标准:在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间。

二、不同的垃圾回收器的概述:

串行回收器:Serial、Serial old

并行回收器:ParNew、Parallel Scavenge、Parallel old

并发回收器:CMS、G1

1.垃圾回收器和分代之间的关系:

新生代收集器:Serial、ParNew、Parallel Scavenge

老年代收集器:Serial Old、Parallel Old、CMS

整堆收集器:G1

组合关系:

2.如何查看默认的垃圾收集器:

-XX:+PrintCommandLineFlags:查看命令行相关参数(包括使用的垃圾回收器)

使用命令行指令:jinfo -flag 相关垃圾回收器参数进程ID

3.Serial回收器:串行回收

Serial收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代唯一的选择。

Serial收集器作为HotSpot中Client模式下的默认新生代垃圾收集器。

Serial收集器采用复制算法、串行回收和"stop-the-world"机制的方式执行内存回收。

除了年轻代之外，Serial收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial Old收集器。Serial Old收集器同样也采用了串行回收和"stop the world"机制，只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算法。

Serial Old是运行在Client模式下默认的老年代的垃圾回收器

Serial Old在Server模式下主要有两个用途:与新生代的Parallel Scavenge配合使用;作为老年代CMS收集器的后备垃圾收集方案

这个收集器是一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束(Stop The World)

优势:简单而高效(与其他收集器的单线程比)，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。运行在Client模式下的虚拟机是个不错的选择。

在用户的桌面应用场景中，可用内存一般不大(几十MB至一两百MB)可以在较短时间内完成垃圾收集(几十ms至一百多ms)，只要不频繁发生，使用串行回收器是可以接受的。

在HotSpot虚拟机中，使用-XX:+UseSerialGC参数可以指定年轻代和老年代都使用串行收集器。等价于新生代用Serial GC，且老年代用Serial Old GC

这种垃圾收集器大家了解，现在已经不用串行的了。而且在限定单核CPU才可以用。现在都不是单核的了。对于交互较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能接受的。一般在Java Web应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的。

4.ParNew回收器:并行回收

如果说Serial GC是年轻代中的单线程垃圾收集器，那么ParNew收集器则是Serial收集器的多线程版本;ParNew收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、"stop-the-world"机制。ParNew是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器;

对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。

对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。(CPU并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源);

ParNew收集器运行在多CPU的环境下，由于可以充分利用多CPU、多核心等物理硬件资源优势，可以更快速地完成垃圾收集，提升程序的吞吐量。但是在单个CPU的环境下，ParNew收集器不比Serial收集器更高效。虽然Serial收集器是基于串行回收，但是由于CPU不需要频繁地做任务切换，因此可以有效避免多线程交互过程中产生的一些额外开销。

在程序中，开发人员可以通过选项"-XX:+UseParNewGC"手动指定使用ParNew收集器执行内存回收任务。它表示年轻代使用并行收集器，不影响老年代。-XX:ParallelGCThreads限制线程数量，默认开启和CPU数据相同的线程数;

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