Java中的JVM垃圾回收器详解

1. 垃圾回收器的作用与分类

垃圾回收器（Garbage Collector, GC）是JVM的核心组件，负责自动管理堆内存的分配与回收，避免内存泄漏。根据工作模式，垃圾回收器可分为以下几类：

• 串行回收器（Serial GC）：单线程执行垃圾回收，适用于内存小、CPU核心少的场景。
• 并行回收器（Parallel GC）：多线程并行回收，追求高吞吐量（适合后台计算任务）。
• 并发回收器（Concurrent GC）：垃圾回收线程与用户线程并发执行，减少停顿时间（适合响应式应用）。
• G1（Garbage-First）回收器：面向大堆内存，将堆划分为多个区域（Region），通过预测停顿时间优化回收。
• ZGC/Shenandoah：新一代低延迟回收器，停顿时间不超过10ms（JDK11+）。

2. 常见垃圾回收器的工作原理

2.1 Serial GC

• 工作过程：
  1. 触发GC时，暂停所有用户线程（Stop-The-World）。
  2. 单线程执行标记-清除（Mark-Sweep）或标记-整理（Mark-Compact）算法。
• 适用场景：Client模式或嵌入式设备。
• JVM参数：-XX:+UseSerialGC

2.2 Parallel GC（吞吐量优先）

• 工作过程：
  1. 年轻代使用并行复制算法（Parallel Copying），多线程回收。
  2. 老年代使用标记-整理（Mark-Compact）算法。
• 特点：通过多线程提升回收速度，但仍有Stop-The-World停顿。
• JVM参数：-XX:+UseParallelGC

2.3 CMS（Concurrent Mark-Sweep）

• 目标：最小化停顿时间，分为4个阶段：
  1. 初始标记（Initial Mark）：标记GC Roots直接关联的对象（需STW）。
  2. 并发标记（Concurrent Mark）：遍历对象图，与用户线程并发执行。
  3. 重新标记（Remark）：修正并发标记期间变动的对象（需STW）。
  4. 并发清除（Concurrent Sweep）：清理垃圾对象。
• 缺点：产生内存碎片，可能触发Full GC。
• JVM参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC

2.4 G1（Garbage-First）

• 核心思想：将堆划分为多个等大的Region（默认2048个），优先回收垃圾最多的区域。
• 工作过程：
  1. 年轻代回收：复制存活对象到Survivor区或老年代Region。
  2. 混合回收（Mixed GC）：同时回收年轻代和部分老年代Region。
  3. Full GC（备用方案）：当回收速度跟不上分配速度时，退化为串行GC。
• 优势：可预测的停顿时间模型（通过-XX:MaxGCPauseMillis设置）。
• JVM参数：-XX:+UseG1GC

3. 如何选择垃圾回收器？

• 追求高吞吐量：Parallel GC（例如批量处理任务）。
• 要求低延迟：CMS（JDK8及之前）或G1（JDK9+默认）。
• 超大堆内存（超过16GB）：G1或ZGC/Shenandoah。
• 极致低停顿（毫秒级）：ZGC（JDK15+成熟）或Shenandoah。

4. 实战调优参数示例

# 使用G1并设置最大停顿时间  
java -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 -Xmx4g MyApp  

# 使用Parallel GC并指定线程数  
java -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=4 -Xmx2g MyApp  

5. 总结

垃圾回收器的选择需权衡吞吐量、延迟和内存开销。现代应用（如微服务）通常优先选择G1或ZGC，而传统批处理任务可能更适合Parallel GC。理解不同回收器的工作机制，是JVM调优的基础。