JVM垃圾收集器：从Serial到G1的演进之路

JVM垃圾收集器：从Serial到G1的演进之路

引言

垃圾收集一直是Java技术生态中最迷人也最复杂的领域之一。对于许多开发者而言，JVM的垃圾收集机制就像一个黑盒：对象被创建，使用，然后神秘地消失。然而，在生产环境的高并发、低延迟场景下，不理解这个黑盒的运作机制，往往会导致严重的性能瓶颈，甚至系统崩溃。

从最早的Serial收集器到如今成为主流的G1（Garbage-First）收集器，JVM的垃圾收集技术经历了一场漫长的演进。这场演进的核心驱动力，始终是如何在有限的内存和计算资源下，平衡吞吐量与延迟。本文将深入剖析这一演进过程中的核心原理、算法实现，并结合实战代码，帮助你构建完整的GC知识体系。

核心概念：分代与STW

在深入具体收集器之前，我们需要夯实两个基石：分代思想和Stop-The-World（STW）。

分代假说

绝大多数收集器都基于“分代收集”理论。这个理论建立在两个强假说之上：
1. 弱分代假说：绝大多数对象都是朝生夕灭的。
2. 强分代假说：熬过越多次垃圾收集的对象，越难以消亡。

基于此，JVM堆内存被划分为新生代和老年代。新生代存放短命对象，老年代存放长命对象。这种划分允许针对不同区域使用不同的回收算法，从而大幅提高回收效率。

Stop-The-World (STW)

在垃圾收集过程中，JVM需要暂停所有应用线程，以确保对象引用关系在标记过程中不再发生变化。这种暂停被称为STW。STW时间的长短，直接决定了系统的响应延迟。从Serial到G1的演进，本质上就是一部不断缩短STW时间、让垃圾收集与应用线程并发执行的奋斗史。

技术原理：垃圾收集器的四代演进

1. Serial收集器：单线程的基石

Serial是最古老、最稳定的收集器。它采用单线程进行垃圾回收，工作时必须暂停所有工作线程。

• 算法：新生代采用“复制”算法，老年代采用“标记-整理”算法。
• 特点：简单高效，没有线程交互开销。
• 适用场景：单核CPU环境、客户端应用（Client模式）、小内存应用（如<100MB）。
• 演进意义：它是所有后续收集器的原型，奠定了分代回收的基础框架。

2. Parallel Scavenge / Parallel Old：吞吐量优先

随着多核CPU的普及，单线程的Serial成为了瓶颈。Parallel收集器应运而生，它通过多线程并行执行垃圾回收，充分利用多核计算能力。

• 算法：新生代复制算法，老年代标记-整理算法。
• 核心目标：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 + 垃圾收集时间)。
• 关键参数：-XX:MaxGCPauseMillis（最大垃圾收集停顿时间）和 -XX:GCTimeRatio（吞吐量大小）。
• 适用场景：后台运算、科学计算、报表生成等不需要用户实时交互的场景。

3. CMS (Concurrent Mark Sweep)：低延迟的先驱

CMS是第一款真正意义上关注低延迟的收集器，它实现了垃圾收集线程与用户线程的并发执行。

• 算法：基于“标记-清除”算法。
• 工作流程：
  1. 初始标记（STW）：仅标记GC Roots直接关联的对象，速度很快。
  2. 并发标记：从GC Roots遍历整个对象图，用户线程同时运行。
  3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间用户线程导致引用变化的部分。
  4. 并发清除：清除标记的垃圾对象，用户线程同时运行。
• 致命缺陷：
  • 内存碎片：基于“标记-清除”算法，无法整理空间，导致大对象分配困难，不得不触发Full GC。
  • CPU敏感：并发阶段占用CPU资源，降低吞吐量。
  • 浮动垃圾：并发清除时用户线程还在产生新垃圾，本次GC无法清理。

4. G1 (Garbage-First)：区域化与可预测停顿

G1收集器是JVM垃圾收集技术的里程碑。它摒弃了物理上的分代隔离，将堆内存划分为多个大小相等的独立区域。

• 核心创新：Region机制
  G1将堆划分为多个Region，每个Region可以是Eden、Survivor或Old。这种设计使得G1可以只回收部分Region（即Garbage-First的含义），而不必每次都回收整个堆。

• 算法：整体看是“标记-整理”，局部（Region之间）看是“复制”算法。这意味着G1天然解决了CMS的碎片问题。

• 可预测停顿模型：
  G1通过维护每个Region的“垃圾价值”（回收能释放的空间 vs 耗时），在用户设定的停顿时间目标内（MaxGCPauseMillis），优先回收价值最大的Region。

• 记忆集与写屏障：
  为了解决跨Region引用问题，