JVM垃圾回收算法与收集器全解析

JVM垃圾回收算法与垃圾收集器详解

垃圾回收算法

标记-清除算法（Mark-Sweep） 该算法分为标记和清除两个阶段。标记阶段遍历所有对象，标记出存活对象；清除阶段回收未被标记的对象。缺点是会产生内存碎片，影响大对象分配效率。

标记-整理算法（Mark-Compact） 在标记阶段与标记-清除算法相同，但在清除阶段会将存活对象向内存一端移动，然后清理边界外的内存。解决了内存碎片问题，但移动对象会增加开销。

复制算法（Copying） 将内存分为两块，每次只使用其中一块。垃圾回收时，将存活对象复制到另一块内存中，然后清空当前内存块。效率高且无碎片，但内存利用率降低。

分代收集算法（Generational） 基于对象生命周期特点，将堆内存分为新生代和老年代。新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。这是现代JVM的主流实现方式。

垃圾收集器实现

Serial收集器 单线程工作的收集器，进行垃圾回收时会暂停所有用户线程（Stop-The-World）。采用复制算法处理新生代，标记-整理算法处理老年代。适用于客户端模式或资源受限环境。

Parallel收集器（Throughput Collector） Serial收集器的多线程版本，使用多线程进行垃圾回收。目标是通过并行化提高吞吐量，适合后台运算且对交互响应要求不高的场景。

ParNew收集器 Parallel收集器的改进版，专门优化了与CMS收集器的配合。仅作用于新生代，采用多线程复制算法。是CMS收集器默认的新生代搭档。

CMS收集器（Concurrent Mark-Sweep） 以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。采用标记-清除算法，分为四个阶段：

• 初始标记（短暂STW）
• 并发标记
• 重新标记（短暂STW）
• 并发清除

允许垃圾回收线程与用户线程并发执行，适合对延迟敏感的应用。但会产生内存碎片，且并发阶段会占用CPU资源。

性能考量与选择建议

吞吐量优先场景 Parallel收集器组合（新生代Parallel+老年代Parallel Old）适合批处理、科学计算等场景。通过并行化最大化利用系统资源完成计算任务。

低延迟优先场景 ParNew+CMS组合适合Web服务等交互式应用。CMS通过并发降低停顿时间，但需要预留足够内存应对并发失败时的Full GC。

内存限制严格场景 Serial收集器在资源受限环境（如嵌入式系统）仍有价值。虽然停顿时间长，但内存开销和实现复杂度最低。

参数调优方向

• 新生代大小：通过-Xmn指定，影响Minor GC频率
• 晋升阈值：-XX:MaxTenuringThreshold控制对象晋升老年代年龄
• CMS触发阈值：-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置老年代使用率触发百分比
• 并行线程数：-XX:ParallelGCThreads调节并行收集器工作线程数

现代JVM已发展出更先进的G1、ZGC等收集器，但传统收集器在特定场景仍具优势。理解这些基础收集器的工作原理，是掌握高级调优技术的前提。

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