垃圾回收器详解

Java 虚拟机（JVM）提供了多种垃圾回收器（Garbage Collector, GC），以适应不同的应用需求。选择合适的垃圾回收器对于应用程序的性能和响应时间至关重要。本文将介绍四种主要的 Java 垃圾回收器：Serial GC、Parallel GC、CMS（Concurrent Mark-Sweep）GC 和 G1（Garbage First）GC。

1. Serial GC

Serial GC 是最简单的垃圾回收器，适用于单线程环境。

• 工作原理：Serial GC 使用单线程执行所有的垃圾回收操作。它在回收过程中会暂停所有应用线程（即 Stop-The-World，STW）。
• 适用场景：适用于单处理器机器或需要最小内存占用的应用。
• 优点：
  • 实现简单，垃圾回收器本身的开销低。
  • 在小内存和单线程环境中性能稳定。
• 缺点：
  • 由于是单线程操作，在多核机器上无法充分利用 CPU 资源。
  • STW 停顿时间较长，可能影响响应性。

示例：在启动 JVM 时使用 -XX:+UseSerialGC 选项启用 Serial GC。

java -XX:+UseSerialGC -jar myapp.jar

2. Parallel GC

Parallel GC 旨在通过多线程并行化垃圾回收操作来提高吞吐量。

• 工作原理：Parallel GC 使用多线程进行垃圾回收操作，尤其是在新生代（Young Generation）进行并行的垃圾回收。
• 适用场景：适用于多核处理器机器，特别是注重吞吐量而不是延迟的后台批处理应用。
• 优点：
  • 能够充分利用多核 CPU 资源，提高垃圾回收的效率。
  • 吞吐量高，适合需要处理大量数据的应用。
• 缺点：
  • STW 停顿时间较长，可能不适合需要低延迟的应用。

示例：在启动 JVM 时使用 -XX:+UseParallelGC 选项启用 Parallel GC。

java -XX:+UseParallelGC -jar myapp.jar

3. CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC

CMS GC 是一种低停顿垃圾回收器，旨在最小化应用的停顿时间。

• 工作原理：CMS GC 分为多个阶段，其中大部分工作与应用线程并发执行：
  • 初始标记（Initial Mark）：STW，标记从根集合直接可达的对象。
  • 并发标记（Concurrent Mark）：与应用线程并发执行，标记其他可达的对象。
  • 重新标记（Remark）：STW，处理并发标记阶段遗漏的变化。
  • 并发清理（Concurrent Sweep）：与应用线程并发执行，清理不可达的对象。
• 适用场景：适用于需要低停顿时间的应用，如响应时间关键的 Web 应用。
• 优点：
  • 较短的 STW 停顿时间，适合低延迟应用。
  • 与应用线程并发执行，减少对应用的影响。
• 缺点：
  • 对 CPU 资源要求高，可能导致应用程序性能波动。
  • 内存碎片化问题较严重。

示例：在启动 JVM 时使用 -XX:+UseConcMarkSweepGC 选项启用 CMS GC。

java -XX:+UseConcMarkSweepGC -jar myapp.jar

4. G1 (Garbage First) GC

G1 GC 是一种面向服务端应用设计的低停顿垃圾回收器，旨在提供可预测的停顿时间。

• 工作原理：G1 GC 将堆内存划分为多个独立的区域（Region），并优先回收垃圾最多的区域。它的主要阶段包括：
  • 初始标记（Initial Mark）：STW，标记从根集合直接可达的对象。
  • 并发标记（Concurrent Mark）：与应用线程并发执行，标记其他可达的对象。
  • 最终标记（Final Mark）：STW，处理并发标记阶段遗漏的变化。
  • 筛选回收（Live Data Counting and Cleanup）：STW，回收垃圾最多的区域。
• 适用场景：适用于大堆内存和需要可预测停顿时间的应用。
• 优点：
  • 提供可配置的停顿时间目标（Pause Time Goal）。
  • 减少内存碎片，通过整理回收区域。
  • 适合大规模的多核机器。
• 缺点：
  • 实现复杂，对参数调优要求较高。
  • 在某些场景下可能需要更多的内存和 CPU 资源。

示例：在启动 JVM 时使用 -XX:+UseG1GC 选项启用 G1 GC。

java -XX:+UseG1GC -jar myapp.jar

总结

不同的垃圾回收器适用于不同的应用场景和需求。Serial GC 适用于简单的单线程应用，Parallel GC 适用于高吞吐量的多核环境，CMS GC 适用于低停顿时间要求的应用，而 G1 GC 则提供了可预测的停顿时间和较好的性能表现。