垃圾收集器概述

垃圾收集器（Garbage Collector，GC）是JVM内存管理的核心组件，负责自动回收不再使用的对象所占用的内存空间。不同的垃圾收集器有着不同的工作原理、性能特点和适用场景。

核心理解

选择合适的垃圾收集器是JVM调优的关键决策之一，需要根据应用的特点、性能要求和硬件环境来综合考虑。

垃圾收集器的分类

按代际分类

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、ZGC、Shenandoah

按线程数分类

串行收集器：单线程执行，适合小型应用
并行收集器：多线程执行，适合吞吐量优先场景
并发收集器：与应用线程并发执行，适合低延迟场景

按停顿时间分类

Stop-The-World：需要暂停所有应用线程
并发收集：大部分时间与应用线程并发执行
增量收集：将收集工作分解为多个小步骤

Serial收集器

Serial收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器。它是一个单线程收集器，在进行垃圾收集时必须暂停所有工作线程，直到收集结束。

工作原理

单线程执行：只使用一个线程进行垃圾收集
Stop-The-World：收集期间暂停所有应用线程
复制算法：新生代使用复制算法
标记-整理算法：老年代使用标记-整理算法

适用场景

客户端应用

桌面应用程序、小型工具等对停顿时间不敏感的应用。

小内存环境

堆内存较小（几十MB到一两百MB）的应用环境。

单核处理器

在单核处理器环境下，Serial收集器没有线程交互开销。

配置参数

Serial收集器配置

# 使用Serial收集器（新生代）
-XX:+UseSerialGC

# 设置新生代大小
-Xmn128m

# 设置Eden与Survivor比例
-XX:SurvivorRatio=8

# 设置对象进入老年代的年龄阈值
-XX:MaxTenuringThreshold=15

Parallel收集器

Parallel收集器是JDK 1.4.2引入的多线程垃圾收集器，也被称为"吞吐量优先"收集器。它是Server模式下的默认收集器。

主要特点

多线程并行：使用多个线程并行进行垃圾收集
吞吐量优先：关注整体的吞吐量而非单次停顿时间
自适应调节：可以自动调节堆大小、停顿时间等参数
适合批处理：特别适合后台运算而不需要太多交互的任务

收集器组合

Parallel Scavenge

新生代收集器，使用复制算法，多线程并行收集。

Parallel Old

老年代收集器，使用标记-整理算法，多线程并行收集。

配置参数

Parallel收集器配置

# 使用Parallel收集器
-XX:+UseParallelGC
-XX:+UseParallelOldGC

# 设置并行收集线程数
-XX:ParallelGCThreads=4

# 设置最大停顿时间目标（毫秒）
-XX:MaxGCPauseMillis=200

# 设置吞吐量目标（垃圾收集时间占总时间的比例）
-XX:GCTimeRatio=19

# 启用自适应大小策略
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy

CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它在垃圾收集时能够与应用线程并发执行，大大减少了停顿时间。

工作流程

初始标记

标记GC Roots能直接关联到的对象，需要Stop-The-World，但时间很短。

并发标记

从GC Roots开始遍历整个对象图，与应用线程并发执行，时间较长。

重新标记

修正并发标记期间因用户程序运行而导致标记变动的对象，需要Stop-The-World。

并发清除

清除标记为垃圾的对象，与应用线程并发执行。

优缺点分析

                    
                    优点
                
低延迟：并发收集，停顿时间短
响应性好：适合对响应时间敏感的应用
并发执行：大部分收集工作与应用线程并发

                    
                    缺点
                
CPU敏感：并发阶段会占用CPU资源
浮动垃圾：并发清除阶段产生的垃圾无法处理
内存碎片：使用标记-清除算法，会产生内存碎片
Concurrent Mode Failure：可能导致Full GC

配置参数

CMS收集器配置

# 使用CMS收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:+UseParNewGC

# 设置CMS触发阈值
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

# 启用类卸载
-XX:+CMSClassUnloadingEnabled

# 设置CMS并发线程数
-XX:ConcGCThreads=2

# 启用增量模式（已废弃）
# -XX:+CMSIncrementalMode

G1收集器

G1（Garbage First）收集器是JDK 7引入的低延迟垃圾收集器，从JDK 9开始成为默认收集器。它将堆内存划分为多个大小相等的Region，能够实现可预测的停顿时间。

核心特性

Region划分

将堆划分为多个大小相等的Region，每个Region可以是Eden、Survivor或Old区。

可预测停顿

可以设置期望的停顿时间目标，G1会尽力在该时间内完成收集。

优先级收集

优先收集垃圾最多的Region，获得最大的收集效率。

收集模式

Young GC：收集所有年轻代Region
Mixed GC：收集年轻代和部分老年代Region
Full GC：收集整个堆（应该避免）

配置参数

G1收集器配置

# 使用G1收集器
-XX:+UseG1GC

# 设置期望的停顿时间目标（毫秒）
-XX:MaxGCPauseMillis=200

# 设置Region大小（1MB-32MB，必须是2的幂）
-XX:G1HeapRegionSize=16m

# 设置新生代占堆的最小比例
-XX:G1NewSizePercent=20

# 设置新生代占堆的最大比例
-XX:G1MaxNewSizePercent=40

# 设置触发Mixed GC的老年代占用阈值
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=85

新一代收集器

随着硬件技术的发展和应用需求的变化，JVM引入了新一代的垃圾收集器，如ZGC和Shenandoah，它们能够在大堆内存下实现极低的停顿时间。

ZGC收集器

超低延迟

停顿时间不超过10ms，与堆大小无关。

大堆支持

支持8MB到16TB的堆大小。

彩色指针

使用彩色指针技术实现并发收集。

Shenandoah收集器

低延迟

停顿时间与堆大小无关，通常在10ms以下。

并发移动

支持并发的对象移动和压缩。

内存效率

相比ZGC有更好的内存利用率。

配置示例

新一代收集器配置

# ZGC配置
-XX:+UseZGC
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions  # JDK 11-14需要

# Shenandoah配置
-XX:+UseShenandoahGC
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions  # JDK 12-14需要

# 通用配置
-Xmx8g
-XX:+UseTransparentHugePages

收集器选择指南

选择合适的垃圾收集器需要考虑应用的特点、性能要求、硬件环境等多个因素。以下是一些选择建议：

选择决策树

客户端应用

堆内存 < 100MB：Serial GC
单核CPU：Serial GC
对停顿时间不敏感：Serial GC

服务端应用

吞吐量优先：Parallel GC
延迟敏感：G1 GC
大堆内存(>6GB)：G1 GC
极低延迟要求：ZGC/Shenandoah

特殊场景

实时系统：ZGC/Shenandoah
大数据处理：Parallel GC
Web应用：G1 GC
微服务：G1 GC

性能对比

                    
                    关键指标对比
                
吞吐量：Parallel GC > G1 GC > CMS GC > ZGC/Shenandoah
延迟：ZGC/Shenandoah < G1 GC < CMS GC < Parallel GC
内存占用：Serial GC < Parallel GC < CMS GC < G1 GC < ZGC/Shenandoah
CPU占用：Serial GC < Parallel GC < G1 GC < CMS GC < ZGC/Shenandoah

调优最佳实践

垃圾收集器的调优是一个持续的过程，需要根据应用的实际运行情况进行监控和调整。

调优步骤

1. 性能分析

分析应用的内存使用模式、对象生命周期、GC频率等。

2. 参数调整

根据分析结果调整堆大小、收集器参数等。

3. 效果验证

通过压力测试验证调优效果，监控关键指标。

4. 持续优化

根据生产环境反馈持续调整和优化。

监控工具

GC监控和分析工具

# 启用GC日志
-XX:+PrintGC
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime
-Xloggc:gc.log

# JDK 9+的日志配置
-Xlog:gc*:gc.log:time,tags

# 常用监控工具
# 1. jstat - JVM统计信息
jstat -gc  1s

# 2. GCViewer - GC日志分析
# 3. GCPlot.com - 在线GC日志分析
# 4. VisualVM - 可视化监控工具

实战案例

通过实际的调优案例来理解垃圾收集器的选择和参数调整过程。

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案例分析

                    
                    调优要点
                
基准测试：建立性能基准，记录调优前的关键指标
逐步调整：一次只调整一个参数，观察效果
压力测试：在接近生产环境的负载下进行测试
长期监控：关注长期运行的稳定性和性能表现

🗑️ 垃圾收集器详解

学习目标

垃圾收集器概述

垃圾收集器的分类

Serial收集器

工作原理

适用场景

配置参数

Parallel收集器

主要特点

收集器组合

配置参数

CMS收集器

工作流程

优缺点分析

配置参数

G1收集器

核心特性

收集模式

配置参数

新一代收集器

ZGC收集器

Shenandoah收集器

配置示例

收集器选择指南

选择决策树

性能对比

调优最佳实践

调优步骤

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实战案例

案例分析