垃圾回收算法与收集器对比

垃圾回收（GC）是 JVM 自动管理内存的核心机制。理解各种 GC 算法和收集器，是 JVM 调优的基础。

判断对象是否存活

引用计数法

对象A (ref_count=2) <-- 对象B引用
                 <-- 对象C引用

缺点：无法解决循环引用问题。

可达性分析（JVM采用）

GC Roots
├── 虚拟机栈中的本地变量
├── 方法区中静态属性引用的对象
├── 方法区中常量引用的对象
├── 本地方法栈中JNI引用的对象
└── 所有被同步锁持有的对象

从GC Roots开始向下搜索，不可达的对象可被回收

垃圾回收算法

1. 标记-清除（Mark-Sweep）

阶段1：标记所有存活对象
┌─────────────────┐
│ ██  ░░  ██  ░░  │  ██=存活  ░░=垃圾
└─────────────────┘

阶段2：清除垃圾对象
┌─────────────────┐
│ ██      ██      │  产生内存碎片
└─────────────────┘

优点：简单
缺点：产生内存碎片，分配大对象时可能失败

2. 复制（Copying）

阶段1：将存活对象复制到另一块内存
From空间              To空间
┌──────────┐        ┌──────────┐
│ ██  ░░   │   -->  │ ██  ██   │
│ ██  ░░   │        │          │
└──────────┘        └──────────┘

阶段2：清空From空间，交换角色

优点：无碎片，效率高
缺点：内存利用率只有 50%

3. 标记-整理（Mark-Compact）

阶段1：标记存活对象
┌─────────────────┐
│ ██  ░░  ██  ░░  │
└─────────────────┘

阶段2：将存活对象向一端移动
┌─────────────────┐
│ ██  ██          │  无碎片
└─────────────────┘

优点：无碎片，内存利用率高
缺点：移动对象需要更新引用，停顿时间较长

垃圾收集器

1. Serial 收集器

单线程：
┌────────┬────────┬────────┐
│ 工作   │  GC    │  工作   │
└────────┴────────┴────────┘
       Stop The World

• 新生代：复制算法
• 老年代：Serial Old（标记-整理）
• 特点：单线程，简单高效
• 适用：客户端模式、内存小的场景

-XX:+UseSerialGC

2. ParNew 收集器

Serial 的多线程版本，唯一能与 CMS 配合的新生代收集器。

-XX:+UseParNewGC
-XX:ParallelGCThreads=4

3. Parallel Scavenge 收集器

目标：达到可控的吞吐量。

吞吐量 = 运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + GC时间)

-XX:+UseParallelGC           # 使用Parallel Scavenge + Parallel Old
-XX:MaxGCPauseMillis=200     # 最大GC停顿时间
-XX:GCTimeRatio=99           # 吞吐量 = 99 / (1 + 99) = 99%
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy   # 自适应调节策略

适用：后台计算型任务。

4. CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）

目标：最短停顿时间。

阶段1：初始标记（STW，很快）
阶段2：并发标记（与用户线程并发）
阶段3：重新标记（STW，比初始标记长）
阶段4：并发清除（与用户线程并发）

┌────┬──────────────────┬────┬──────────────────┐
│STW │     并发标记      │STW│     并发清除      │
└────┴──────────────────┴────┴──────────────────┘

优点：低停顿
缺点：

• 内存碎片（Mark-Sweep）
• 对 CPU 资源敏感
• 无法处理浮动垃圾（Concurrent Mode Failure）

-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70  # 老年代70%时触发CMS
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection      # Full GC时压缩

5. G1 收集器（Garbage First）

JDK 9 后的默认收集器。

设计思想

┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│ E  │ S  │ O  │ H  │ O  │ E  │ S  │ O  │  Region（1~32MB）
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘

E=Eden, S=Survivor, O=Old, H=Humongous(大对象)

• 将堆划分为多个 Region
• 优先回收垃圾最多的 Region（Garbage First）

回收过程

Young GC：
┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│ E  │ E  │ E  │    │    │    │    │    │  回收Eden Region
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘
         ↓
┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│ S  │    │    │ O  │    │    │    │    │  存活对象->Survivor/Old
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘

Mixed GC（并发标记后）：
回收年轻代 + 部分老年代Region

参数

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200       # 目标最大停顿时间
-XX:G1HeapRegionSize=16m       # Region大小
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45  # 堆占用45%时触发并发标记

6. ZGC / Shenandoah（低延迟）

JDK 11+（ZGC）和 JDK 12+（Shenandoah）。

目标：TB 级堆内存下停顿时间 < 10ms。

-XX:+UseZGC
-XX:+UseShenandoahGC

收集器对比

收集器	算法	目标	适用场景
Serial	复制/整理	简单高效	单核、小内存
ParNew	复制	降低停顿	配合CMS
Parallel Scavenge	复制/整理	高吞吐量	后台计算
CMS	标记-清除	低停顿	Web应用
G1	复制/整理	平衡	大堆内存
ZGC	复制	超低停顿	大堆、低延迟

组合关系

新生代              老年代
─────────────────────────────
Serial      +     Serial Old
ParNew      +     CMS
Parallel Scavenge + Parallel Old
G1（同时管理新生代和老年代）
ZGC（同时管理）

选择建议

场景	推荐
单核/小内存（<100MB）	Serial
多核、追求吞吐量	Parallel Scavenge
Web应用、追求低延迟	CMS / G1
大堆内存（>6G）	G1
超大堆、极低延迟要求	ZGC
JDK 9+	G1（默认）

总结

算法	优点	缺点
标记-清除	简单	碎片
复制	高效无碎片	空间减半
标记-整理	无碎片	移动对象开销

没有最好的收集器，只有最合适的收集器。根据应用特点（延迟敏感 vs 吞吐量优先）和 JDK 版本选择合适的收集器。