Java虚拟机的垃圾回收器主要有哪些？

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2024年04月23日 11:54 · 阅读数 1

Java虚拟机（JVM）的垃圾回收（GC）机制是一个自动管理内存的过程，它帮助开发者免除了手动管理内存的繁琐。JVM中的垃圾回收主要依赖于几种不同的垃圾回收器，每种回收器都有其特定的使用场景、原理和优势。以下是一些JVM中常见的垃圾回收器及其特点：

串行垃圾回收器（Serial GC）

串行垃圾回收器（Serial GC）是最基本的垃圾回收器，适用于单线程应用和限制硬件资源的环境。它在执行垃圾回收时会触发全局暂停（Stop-The-World, STW），这意味着在垃圾回收过程中，所有用户线程都会被暂停，直到垃圾回收完成。

工作原理

串行垃圾回收器主要包括两个阶段：标记和清除。

标记（Mark）阶段：这个阶段会遍历所有可达对象。从一组称为根的对象开始，GC遍历对象图，标记所有可达的对象。不可达对象，即那些在应用程序中不再有任何引用的对象，被认为是垃圾。
清除（Sweep）阶段：这个阶段会遍历堆内存，回收那些在标记阶段未被标记的对象所占用的内存空间。

适用场景

小内存需求的应用。
单核CPU或单线程应用。
开发环境或测试环境，其中资源限制不是主要关注点。

示例代码

让我们通过一个简单的Java程序来理解垃圾回收的工作流程。下面的示例并不是展示串行垃圾回收器如何工作的直接代码，因为垃圾回收过程是自动发生的，而是用来触发垃圾回收以便我们可以观察它。

public class GCDemo {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            String data = new String("Hello" + i);
        }
        
        // 请求JVM进行垃圾回收
        System.gc();

        // 等待垃圾回收完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Garbage Collection has been requested");
    }
}

在这个示例中，我们创建了大量的String对象，这可能会触发垃圾回收。调用System.gc()是请求JVM执行垃圾回收，但请注意，这只是一个请求，并不保证立即触发垃圾回收。

思考过程

触发条件：了解何时以及为何串行GC会被触发是重要的。在上面的代码中，我们通过创建大量对象尝试触发GC。
监控和调试：使用JVM工具（如jvisualvm）监控应用的内存使用情况，观察垃圾收集的发生及其对应用性能的影响。
性能考量：理解串行GC在单线程或资源受限环境中的行为及其潜在的停顿时间影响。

通过上述示例和分析，我们可以更深入地理解串行垃圾回收器的工作机制和适用场景。在实际开发中，了解不同垃圾回收器的特点能帮助我们选择最适合当前应用场景的回收器，以优化应用性能。

并行垃圾回收器（Parallel GC）

并行垃圾回收器（Parallel GC）是一种使用多个线程进行垃圾收集的回收器，目的是在多核处理器上提高垃圾回收的效率。与串行垃圾回收器相比，它在进行垃圾回收时可以更有效地利用CPU资源，从而减少垃圾回收对应用吞吐量的影响。

工作原理

并行垃圾回收器主要在两个阶段使用多线程：

标记（Mark）阶段：并行回收器会使用多个线程遍历对象图，标记出所有存活的对象。
清除（Sweep）阶段：在这个阶段，垃圾回收器再次使用多个线程来清理未被标记的对象，回收它们所占用的内存空间。

这种并行的工作方式使得并行GC比串行GC更适合多核CPU环境，能够更有效地利用系统资源，提高垃圾回收的效率。

适用场景

多核服务器环境。
对吞吐量有较高要求的应用。
大内存和大量线程的应用。

示例代码

下面的代码并不直接展示并行垃圾回收器的内部工作，因为GC的工作对于Java程序员来说是透明的。但是，我们可以通过代码触发GC，并通过JVM参数来指定使用并行GC。

public class ParallelGCDemo {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            byte[] data = new byte[1024 * 1024]; // 分配1MB空间
            // 模拟一些内存分配和回收的操作
            if (i % 2 == 0) {
                data = null; // 让一些对象变得可回收
            }
        }

        System.gc(); // 提示JVM进行垃圾回收

        System.out.println("Garbage Collection has been requested");
    }
}

要运行这段代码并使用并行垃圾回收器，您需要在Java命令行中设置-XX:+UseParallelGC参数。

java -XX:+UseParallelGC ParallelGCDemo

思考过程

理解并行工作：了解并行GC如何利用多个处理器核心同时进行垃圾回收，从而减少GC导致的停顿时间。
监控垃圾回收：使用JVM监控工具（如jvisualvm或jconsole）观察并行垃圾回收的行为，包括GC的频率、持续时间以及回收效率等。
调优参数：理解和调整并行GC的相关参数（如堆大小、线程数等）对应用性能的影响。

并行垃圾回收器通过多线程并行处理大大提高了垃圾回收的效率，特别适用于多核处理器环境。了解并行GC的工作原理和配置可以帮助开发者更好地优化Java应用的性能。

CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾回收器

CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾回收器的设计目标是减少垃圾回收时的停顿时间，特别是对于那些对响应时间有严格要求的应用。CMS适用于多核心服务器环境，主要用于减少应用程序的停顿时间。

工作原理

CMS垃圾回收器的工作流程可以分为以下几个阶段：

初始标记（Initial Mark）：这个阶段会暂停所有的应用线程（STW），标记从GC根直接可达的对象。由于只标记一级引用，所以这个阶段非常快。
并发标记（Concurrent Mark）：在这个阶段，垃圾回收器并发运行，不需要暂停应用线程，它会标记所有从直接可达对象可传递到达的对象。
预清理（Precleaning）：该阶段也是并发的，用于处理并发标记阶段因程序运行而产生的变动。
最终标记（Final Mark）：这是第二次（也是最后一次）STW暂停，用于处理自并发标记以来变动的那部分对象。
并发清除（Concurrent Sweep）：在这个阶段，垃圾回收器并发运行，清除无法到达的对象，应用线程可以同时运行。
并发重置（Concurrent Reset）：这个阶段是清理和重置CMS垃圾回收器的内部数据结构，为下一次垃圾回收做准备。

示例代码

由于垃圾回收器的工作是自动进行的，以下的Java代码示例不是演示CMS工作的直接代码，而是用于触发垃圾回收，并可以通过指定JVM参数来使用CMS垃圾回收器。

public class CMSDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            byte[] data = new byte[1024 * 1024]; // 分配1MB空间
            list.add(data);
            if (list.size() > 1024) {
                list.clear(); // 让内存有机会被回收
            }
        }
    }
}

要使用CMS回收器，可以在运行Java程序时指定-XX:+UseConcMarkSweepGC参数。

java -XX:+UseConcMarkSweepGC CMSDemo

思考过程

理解CMS的工作流程：了解CMS的各个阶段以及它们是如何减少停顿时间的。
监控垃圾回收：使用JVM监控工具观察CMS的行为，了解其对系统吞吐量和响应时间的影响。
处理CMS的缺点：CMS可能会引发较多的CPU消耗，并且由于其不进行内存压缩，可能会出现内存碎片问题，这需要开发者了解并根据应用需求进行权衡。

通过深入理解CMS垃圾回收器的工作原理和特点，开发者可以更好地为其应用选择合适的垃圾回收策略，尤其是在需要控制停顿时间的场景中。

G1（Garbage-First）垃圾回收器

G1（Garbage-First）垃圾回收器是一种面向服务端应用的垃圾回收器，旨在兼顾高吞吐量和低延迟，特别适用于多核心处理器和大内存环境。它通过将堆划分为多个区域（Region）来管理内存，从而在回收过程中更加高效和灵活。

工作原理

G1的主要工作流程包括以下几个阶段：

划分区域（Region Division）：G1将整个堆内存划分为多个大小相等的区域，每个区域可以是Eden、Survivor或Old区。
并发标记（Concurrent Marking）：G1启动一个并发标记周期来识别整个堆中的存活对象。这包括初始标记、根区域扫描、并发标记和最终标记等步骤。
回收决策（Evacuation）：基于每个区域的存活对象比例和历史数据，G1决定哪些区域应该被回收。它优先回收垃圾最多的区域，以提高回收效率。
垃圾回收（Garbage Collection）：G1会停止应用线程（STW），但这个停顿通常比CMS更短。它复制存活的对象到新的区域，同时清理掉空区域中的对象。
压缩（Compaction）：在需要时，G1可以进行压缩操作，以避免内存碎片的产生。

适用场景

大内存（多GB）的应用。
需要平衡吞吐量和响应时间的应用。
多核服务器。

示例代码

以下示例代码演示了一个简单的情况，其中创建了大量的对象以触发垃圾回收，但请注意，这段代码本身并不直接与G1垃圾回收器交互：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class G1Demo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[100 * 1024]); // 分配100KB的空间
            if (list.size() > 10000) {
                list.clear(); // 清空列表，让内存可回收
            }
        }
    }
}

要运行此代码并指定使用G1垃圾回收器，可以通过以下JVM参数启动应用：

java -XX:+UseG1GC G1Demo

思考过程

观察G1的行为：使用JVM工具（如jvisualvm或jconsole）监控G1的行为，包括各个阶段的持续时间、回收效率和内存占用情况。
参数调优：了解和调整G1的相关参数，如堆大小、回收目标停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）等，以适应不同的应用需求。
分析应用需求：根据应用的性能需求和内存使用特点，决定是否使用G1垃圾回收器以及如何配置它。

通过深入理解G1垃圾回收器的工作原理和特点，开发者可以更好地利用它来优化大内存应用的性能，平衡应用的吞吐量和响应时间。

ZGC（Z Garbage Collector）和Shenandoah GC

ZGC（Z Garbage Collector）和Shenandoah GC是Java虚拟机中相对较新的垃圾回收器，它们的主要目标是为运行在多核心处理器上的大堆内存应用减少停顿时间。

ZGC（Z Garbage Collector）

ZGC是一种可伸缩的低延迟垃圾回收器，旨在针对多核心机器上的大堆内存应用，它的主要特点包括：

并发性：ZGC的大多数阶段都是并发执行的，只有初始标记和最终标记阶段需要短暂的停顿。
无压缩：ZGC使用了一种基于染色指针和多重映射的技术，可以实现几乎无压缩的垃圾回收。
分区：ZGC将堆划分为小块（regions），这些小块可以独立回收，从而减少回收过程中的停顿时间。

Shenandoah GC

Shenandoah GC是另一种低延迟垃圾回收器，其设计目标是减少GC停顿时间，特别是在大堆内存环境下：

并发回收：Shenandoah GC能够并发地进行大部分垃圾回收工作，包括标记、回收和压缩阶段。
回收速度：Shenandoah GC旨在平衡回收速度和CPU资源的使用，以实现低停顿时间。
内存压缩：与ZGC不同，Shenandoah GC在回收过程中会进行内存压缩，以减少内存碎片。

示例代码

如下Java代码演示了一个创建大量对象的场景，可以用来观察ZGC或Shenandoah GC的表现：

public class GCDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[128 * 1024]); // 分配128KB的空间
            if (list.size() > 1000) {
                list.remove(list.size() - 1); // 移除元素，触发垃圾回收
            }
        }
    }
}

要使用ZGC，可以通过以下JVM参数启动应用：

java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC GCDemo

要使用Shenandoah GC，可以使用以下JVM参数：

java -XX:+UseShenandoahGC GCDemo

思考过程

监控垃圾回收：使用JVM监控工具观察ZGC或Shenandoah GC的行为，关注其在不同阶段的表现和对应用的影响。
参数调优：了解和调整这些垃圾回收器的参数，例如堆大小、停顿时间目标等，以适应不同的应用需求。
评估应用需求：根据应用的具体需求选择合适的垃圾回收器。如果应用对停顿时间非常敏感，可以考虑使用ZGC或Shenandoah GC。

通过深入了解ZGC和Shenandoah GC的工作原理和特点，开发者可以更好地为自己的应用选择合适的垃圾回收策略，尤其是在需要处理大堆内存和要求低延迟的场景中。

总结

当前主流的垃圾回收机制依赖于应用的需求和部署环境。在JDK 9及以后的版本中，G1 GC成为了默认的垃圾回收器，这是因为G1提供了一个比较好的平衡点，它在吞吐量和延迟之间提供了较好的折衷，特别是在拥有大内存和多核心处理器的系统中表现较好。每种垃圾回收器的选择都依赖于特定的应用需求，包括应用的吞吐量需求、停顿时间敏感度以及堆内存大小等因素。在实际应用中，通常需要根据具体情况调整和选择最合适的垃圾回收器。