Java虚拟机垃圾回收器：原理、分类、性能调优
一、垃圾回收器概述
（一）垃圾回收器的必要性
在 Java 程序运行过程中，会不断地创建对象。这些对象占用内存空间，而内存空间是有限的。如果程序员手动管理内存，需要在对象不再使用时显式地释放内存。然而，这种方式容易出错，例如忘记释放内存可能导致内存泄漏，而重复释放内存则可能引发程序崩溃。垃圾回收器（Garbage Collector，简称 GC）的出现，正是为了解决这一问题。它自动检测并回收那些不再被程序使用的对象所占用的内存，从而让程序员可以专注于业务逻辑的实现，而无需过多地担心内存管理问题。
（二）垃圾回收器的基本原理
垃圾回收器的核心任务是识别哪些对象是“垃圾”，即不再被程序引用的对象，然后将这些对象占用的内存空间回收，以便后续可以重新分配给新的对象使用。为了实现这一目标，垃圾回收器通常采用以下几种基本方法：
- 引用计数法：为每个对象维护一个引用计数器，每当有一个地方引用该对象时，计数器加一；每当引用失效时，计数器减一。当计数器为零时，表示该对象不再被引用，可以被回收。这种方法简单直观，但存在一个致命缺陷：无法处理对象之间的循环引用问题。例如，两个对象相互引用，即使它们都不再被外部程序引用，引用计数器也不会为零，从而导致内存泄漏。
- 根搜索算法：从一组称为“根”的对象开始搜索，这些根对象通常是全局变量、栈中的局部变量等。垃圾回收器会沿着对象之间的引用关系，从根对象开始向下搜索，所有能被搜索到的对象都被认为是存活的，而那些无法被搜索到的对象则被认为是垃圾，可以被回收。这种方法能够解决循环引用问题，是现代垃圾回收器中广泛采用的基本算法。
二、垃圾回收器的分类
（一）按代际划分
Java 虚拟机将内存分为不同的代（Generation），主要包括新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。不同代的内存区域采用不同的垃圾回收策略，以提高垃圾回收的效率。
- 新生代垃圾回收器
- 特点：新生代是对象创建的初始位置，大多数对象在创建时都会被分配到新生代。新生代的特点是对象生命周期短，大多数对象在短时间内就会被回收。因此，新生代垃圾回收器需要具备高效率和低延迟的特点，以快速回收大量短生命周期的对象。
- 常见算法：新生代垃圾回收器通常采用复制算法（Copying Algorithm）。将新生代内存分为两块，一块用于分配新对象，称为“Eden 区”，另外两块称为“Survivor 区”（通常分为 From 和 To 两个区域）。当 Eden 区满了之后，触发一次垃圾回收。垃圾回收器会将 Eden 区和 From Survivor 区中存活的对象复制到 To Survivor 区，然后清空 Eden 区和 From Survivor 区。之后，交换 From 和 To Survivor 区的角色，继续重复上述过程。这种算法的优点是实现简单，效率高，因为每次只需要复制存活的对象，而不需要考虑对象的大小和分布情况。
- 老年代垃圾回收器
- 特点：老年代用于存放生命周期较长的对象。当对象在新生代经过多次垃圾回收后仍然存活，就会被晋升到老年代。老年代的特点是对象生命周期长，内存占用相对稳定，垃圾回收的频率相对较低。
- 常见算法：老年代垃圾回收器通常采用标记 - 整理算法（Mark - Compact Algorithm）。首先，垃圾回收器会从根对象开始进行标记，标记出所有存活的对象。然后，将存活的对象向内存的一端进行整理，消除内存碎片，最后清空整理后的内存区域。这种方法可以有效地解决内存碎片问题，提高内存利用率，但其缺点是算法相对复杂，回收时间相对较长。
（二）按线程划分
- 单线程垃圾回收器
- 特点：这种垃圾回收器在执行垃圾回收操作时，会暂停应用程序的所有线程（Stop - The - World），直到垃圾回收完成。这种方式的优点是实现简单，垃圾回收器可以独占整个内存空间，避免了多线程并发带来的复杂性。然而，它的缺点也很明显，当垃圾回收器运行时，应用程序会被完全冻结，用户体验较差，尤其是在垃圾回收时间较长的情况下。
- 应用场景：单线程垃圾回收器适用于单线程应用程序或者对延迟要求不高的场景。例如，在一些小型的嵌入式设备或者简单的命令行工具中，可以使用单线程垃圾回收器来简化实现。
- 多线程垃圾回收器
- 特点：多线程垃圾回收器允许垃圾回收器与应用程序线程并发运行。它通过多个线程同时进行垃圾回收操作，可以显著提高垃圾回收的效率，减少应用程序的停顿时间。然而，多线程垃圾回收器的实现相对复杂，需要解决线程之间的同步和协调问题，以避免数据竞争和内存泄漏等问题。
- 应用场景：多线程垃圾回收器广泛应用于多线程的大型应用程序中，尤其是在对性能和用户体验要求较高的场景，如服务器端应用程序、实时系统等。通过并发垃圾回收，可以提高应用程序的吞吐量和响应速度，同时减少垃圾回收对应用程序正常运行的影响。
三、常见的垃圾回收器
（一）Serial 垃圾回收器
- 特点：Serial 垃圾回收器是一种单线程的垃圾回收器，它使用单线程来执行所有的垃圾回收任务，包括标记、复制和整理等操作。由于是单线程工作，它在垃圾回收过程中会暂停应用程序的所有线程，因此也被称为“串行垃圾回收器”。
- 工作原理：Serial 垃圾回收器主要针对新生代进行垃圾回收，采用复制算法。在垃圾回收时，它会先扫描新生代的 Eden 区和 From Survivor 区，找出存活的对象，然后将这些存活的对象复制到 To Survivor 区，最后清空 Eden 区和 From Survivor 区。对于老年代，Serial 垃圾回收器采用标记 - 整理算法，从根对象开始标记存活的对象，然后将存活的对象向内存一端整理，消除内存碎片。
- 适用场景：Serial 垃圾回收器主要适用于单核处理器或者对性能要求不高的场景。由于它是单线程工作，不会占用过多的系统资源，因此在一些小型的嵌入式设备或者简单的命令行工具中表现良好。然而，在多核处理器的系统中，Serial 垃圾回收器的性能会受到限制，因为它无法充分利用多核处理器的并行能力。
（二）Parallel 垃圾回收器（也称为吞吐量优先收集器）
- 特点：Parallel 垃圾回收器是一种多线程的垃圾回收器，它使用多个线程同时进行垃圾回收操作，以提高垃圾回收的效率。它的目标是最大化应用程序的吞吐量，即在单位时间内完成尽可能多的垃圾回收任务。
- 工作原理：Parallel 垃圾回收器主要针对新生代进行垃圾回收，采用复制算法。在垃圾回收时，它会启动多个线程同时扫描新生代的 Eden 区和 From Survivor 区，找出存活的对象，然后将这些存活的对象复制到 To Survivor 区。由于多线程并发执行，可以显著提高垃圾回收的速度。对于老年代，Parallel 垃圾回收器采用标记 - 整理算法，同样使用多线程进行标记和整理操作。
- 适用场景：Parallel 垃圾回收器适用于多核处理器的服务器端应用程序，尤其是在对吞吐量要求较高的场景。例如，在一些后台处理任务、批处理任务等场景中，Parallel 垃圾回收器可以充分利用多核处理器的并行能力，提高应用程序的性能。然而，由于它会暂停应用程序的所有线程进行垃圾回收，因此在对延迟要求较高的场景中，可能会导致用户体验下降。
（三）CMS 垃圾回收器（Concurrent Mark - Sweep）
- 特点：CMS 垃圾回收器是一种以低延迟为目标的垃圾回收器，它主要针对老年代进行垃圾回收。它的目标是尽可能减少应用程序的停顿时间，以提高用户体验。
- 工作原理：CMS 垃圾回收器采用标记 - 清除算法（Mark - Sweep Algorithm），但与传统的标记 - 清除算法不同的是，它在垃圾回收过程中会与应用程序线程并发运行。CMS 垃圾回收器的工作过程可以分为以下几个阶段：
- 初始标记阶段：在这个阶段，垃圾回收器会暂停应用程序的所有线程，从根对象开始标记直接可达的对象。这个阶段的停顿时间相对较短，因为它只需要标记根对象直接可达的对象。
- 并发标记阶段：在这个阶段，垃圾回收器会启动多个线程与应用程序线程并发运行，从初始标记阶段标记的对象开始，沿着对象之间的引用关系进行标记，标记出所有存活的对象。这个阶段的停顿时间相对较长，但垃圾回收器与应用程序线程并发运行，不会对应用程序的正常运行产生太大影响。
- 重新标记阶段：在这个阶段，垃圾回收器会再次暂停应用程序的所有线程，对并发标记阶段标记的对象进行修正。由于在并发标记阶段，应用程序线程可能对对象的引用关系进行了修改，因此需要重新标记来修正这些变化。这个阶段的停顿时间相对较短。
- 并发清除阶段：在这个阶段，垃圾回收器会启动多个线程与应用程序线程并发运行，清除所有未被标记的对象，回收内存空间。这个阶段的停顿时间相对较长，但同样垃圾回收器与应用程序线程并发运行，不会对应用程序的正常运行产生太大影响。
- 适用场景：CMS 垃圾回收器适用于对延迟要求较高的场景，如在线交易系统、实时监控系统等。在这些场景中，用户对应用程序的响应速度要求较高，CMS 垃圾回收器可以有效地减少应用程序的停顿时间，提高用户体验。然而，CMS 垃圾回收器也存在一些缺点，例如它会产生内存碎片，导致后续内存分配时可能出现“内存不足”的情况；另外，CMS 垃圾回收器在垃圾回收过程中需要占用一定的系统资源，可能会对应用程序的性能产生一定的影响。
（四）G1 垃圾回收器（Garbage - First）
- 特点：G1 垃圾回收器是一种新型的垃圾回收器，它结合了新生代和老年代的垃圾回收策略，旨在同时满足高吞吐量和低延迟的要求。G1 垃圾回收器将整个内存划分为多个大小相等的区域（Region），每个区域可以是新生代区域、老年代区域或者大对象区域等。G1 垃圾回收器通过预测垃圾回收的时间和内存回收量，优先回收那些垃圾回收效率最高的区域，从而实现高效的垃圾回收。
- 工作原理：G1 垃圾回收器的工作过程可以分为以下几个阶段：
- 初始标记阶段：与 CMS 垃圾回收器类似，G1 垃圾回收器在这个阶段会暂停应用程序的所有线程，从根对象开始标记直接可达的对象。这个阶段的停顿时间相对较短。
- 并发标记阶段：在这个阶段，G1 垃圾回收器会启动多个线程与应用程序线程并发运行，从初始标记阶段标记的对象开始，沿着对象之间的引用关系进行标记，标记出所有存活的对象。同时，G1 垃圾回收器会根据标记的结果，计算每个区域的垃圾回收效率，并将这些信息记录下来。
- 最终标记阶段：在这个阶段，G1 垃圾回收器会再次暂停应用程序的所有线程，对并发标记阶段标记的对象进行修正，并完成标记过程。这个阶段的停顿时间相对较短。
- 筛选回收阶段：在这个阶段，G1 垃圾回收器会根据之前记录的每个区域的垃圾回收效率，优先回收那些垃圾回收效率最高的区域。G1 垃圾回收器采用复制算法回收新生代区域，采用标记 - 整理算法回收老年代区域。通过这种方式，G1 垃圾回收器可以在保证低延迟的同时，实现高效的垃圾回收。
- 适用场景：G1 垃圾回收器适用于大内存、多核处理器的服务器端应用程序，尤其是在对吞吐量和延迟都有较高要求的场景。例如，在一些大型的互联网应用、云计算平台等场景中，G1 垃圾回收器可以有效地平衡垃圾回收的效率和延迟，提高应用程序的性能和用户体验。然而，G1 垃圾回收器的实现相对复杂，需要占用一定的系统资源，因此在一些小型的嵌入式设备或者简单的应用程序中，可能不太适用。
（五）ZGC 垃圾回收器（Z Garbage Collector）
- 特点：ZGC 垃圾回收器是一种低延迟、高吞吐量的垃圾回收器，它采用了先进的垃圾回收算法和技术，旨在实现极低的停顿时间和高效的内存回收。ZGC 垃圾回收器的主要特点是它使用了“染色指针”技术，通过在指针中存储对象的状态信息，避免了传统垃圾回收器中需要频繁扫描对象头的问题，从而提高了垃圾回收的效率。
- 工作原理：ZGC 垃圾回收器的工作过程可以分为以下几个阶段：
- 标记阶段：在这个阶段，ZGC 垃圾回收器会启动多个线程与应用程序线程并发运行，从根对象开始标记存活的对象。与传统垃圾回收器不同的是，ZGC 垃圾回收器不需要扫描对象头来获取对象的状态信息，而是直接通过指针中的状态信息来判断对象是否存活。这种方式大大提高了标记阶段的效率。
- 转移阶段：在这个阶段，ZGC 垃圾回收器会将存活的对象转移到新的内存区域，并更新指针指向。由于 ZGC 垃圾回收器采用了“染色指针”技术，因此在转移对象时不需要进行复杂的对象拷贝操作，只需要简单地更新指针即可。这种方式进一步提高了垃圾回收的效率。
- 更新引用阶段：在这个阶段，ZGC 垃圾回收器会更新应用程序线程中对存活对象的引用，将引用指向新的内存区域。这个阶段的停顿时间相对较短，因为 ZGC 垃圾回收器采用了并发更新引用的方式，减少了应用程序的停顿时间。
- 适用场景：ZGC 垃圾回收器适用于对延迟要求极高的场景，如金融交易系统、实时通信系统等。在这些场景中，用户对应用程序的响应速度要求极高，ZGC 垃圾回收器可以有效地减少应用程序的停顿时间，提高用户体验。然而，ZGC 垃圾回收器目前还处于发展阶段，它的实现相对复杂，需要占用一定的系统资源，因此在一些小型的嵌入式设备或者简单的应用程序中，可能不太适用。
四、垃圾回收器的性能指标
（一）吞吐量
吞吐量是指垃圾回收器在单位时间内完成的垃圾回收任务量。它反映了垃圾回收器的工作效率，通常以垃圾回收时间占应用程序总运行时间的比例来衡量。例如，如果垃圾回收时间占应用程序总运行时间的 10%，那么吞吐量就是 90%。对于一些后台处理任务、批处理任务等场景，吞吐量是一个重要的性能指标，因为这些场景通常对应用程序的响应速度要求较低，但对处理任务的效率要求较高。在这种情况下，选择吞吐量高的垃圾回收器可以提高应用程序的性能。
（二）延迟
延迟是指垃圾回收器在执行垃圾回收操作时对应用程序造成的停顿时间。延迟通常以毫秒为单位来衡量，它反映了垃圾回收器对应用程序用户体验的影响。对于一些在线交易系统、实时监控系统等场景，延迟是一个关键的性能指标，因为这些场景对应用程序的响应速度要求极高。在这种情况下，选择延迟低的垃圾回收器可以提高用户体验，减少用户等待时间。
（三）内存占用
内存占用是指垃圾回收器在运行过程中占用的内存空间。垃圾回收器需要占用一定的内存空间来存储垃圾回收过程中的数据结构，如标记信息、引用队列等。内存占用的大小直接影响应用程序的可用内存空间。如果垃圾回收器占用过多的内存空间，可能会导致应用程序出现“内存不足”的情况。因此，在选择垃圾回收器时，需要考虑内存占用的大小，以确保应用程序有足够的可用内存空间。
（四）内存碎片
内存碎片是指垃圾回收器在回收内存空间后，由于对象的分配和回收导致内存空间不连续的现象。内存碎片可能会导致后续内存分配时出现“内存不足”的情况，即使系统中还有足够的空闲内存空间。内存碎片的大小通常以碎片的数量和大小来衡量。对于一些大对象分配较多的应用程序，内存碎片是一个重要的性能指标。在这种情况下，选择能够有效减少内存碎片的垃圾回收器可以提高应用程序的性能和稳定性。
五、垃圾回收器的调优
（一）选择合适的垃圾回收器
根据应用程序的特点和需求，选择合适的垃圾回收器是垃圾回收器调优的第一步。如果应用程序对吞吐量要求较高，可以选择 Parallel 垃圾回收器；如果应用程序对延迟要求较高，可以选择 CMS 垃圾回收器或 G1 垃圾回收器；如果应用程序对延迟和吞吐量都有较高要求，可以选择 G1 垃圾回收器或 ZGC 垃圾回收器。选择合适的垃圾回收器可以为应用程序的性能优化奠定基础。
（二）调整垃圾回收器的参数
垃圾回收器提供了一系列的参数，用于调整垃圾回收器的行为和性能。通过合理调整这些参数，可以进一步优化垃圾回收器的性能。以下是一些常见的垃圾回收器参数及其作用：
- 新生代大小（-Xmn）：新生代大小决定了新生代内存区域的大小。新生代大小的设置需要根据应用程序的特点和需求进行调整。如果应用程序中创建的对象较多，可以适当增大新生代大小，以减少新生代垃圾回收的频率；如果应用程序中创建的对象较少，可以适当减小新生代大小，以节省内存空间。
- Eden 区与 Survivor 区的比例（-XX:SurvivorRatio）：Eden 区与 Survivor 区的比例决定了新生代内存区域中 Eden 区和 Survivor 区的大小比例。这个参数的设置需要根据应用程序中对象的生命周期分布进行调整。如果应用程序中对象的生命周期较短，可以适当增大 Eden 区的大小，以减少对象在 Survivor 区之间的复制次数；如果应用程序中对象的生命周期较长，可以适当减小 Eden 区的大小，以增加 Survivor 区的大小，减少对象晋升到老年代的速度。
- 老年代大小（-Xms、-Xmx）：老年代大小决定了老年代内存区域的大小。老年代大小的设置需要根据应用程序的特点和需求进行调整。如果应用程序中存在大量的大对象或者生命周期较长的对象，可以适当增大老年代大小，以减少老年代垃圾回收的频率；如果应用程序中对象的生命周期较短，可以适当减小老年代大小，以节省内存空间。
- 垃圾回收线程数（-XX:ParallelGCThreads、-XX:ConcGCThreads）：垃圾回收线程数决定了垃圾回收器在执行垃圾回收操作时使用的线程数量。垃圾回收线程数的设置需要根据系统的处理器数量和应用程序的特点进行调整。如果系统的处理器数量较多，可以适当增加垃圾回收线程数，以提高垃圾回收的效率；如果系统的处理器数量较少，可以适当减少垃圾回收线程数，以避免过多的线程竞争导致系统性能下降。
- 垃圾回收时间阈值（-XX:MaxGCPauseMillis、-XX:GCTimeRatio）：垃圾回收时间阈值决定了垃圾回收器在执行垃圾回收操作时的目标停顿时间和垃圾回收时间占应用程序总运行时间的比例。垃圾回收时间阈值的设置需要根据应用程序的特点和需求进行调整。如果应用程序对延迟要求较高，可以适当减小垃圾回收时间阈值，以减少垃圾回收的停顿时间；如果应用程序对吞吐量要求较高，可以适当增大垃圾回收时间阈值，以提高垃圾回收的效率。
（三）监控垃圾回收器的性能
监控垃圾回收器的性能是垃圾回收器调优的重要环节。通过监控垃圾回收器的性能指标，可以及时发现垃圾回收器的性能问题，并根据问题进行相应的调整。JVM 提供了一系列的工具和命令，用于监控垃圾回收器的性能。以下是一些常用的监控工具和命令：
- jstat：jstat 是一个命令行工具，用于监控 JVM 的垃圾回收性能。通过 jstat 命令，可以查看垃圾回收器的吞吐量、延迟、内存占用等性能指标。例如，通过命令“jstat -gc [pid] [interval] [count]”，可以查看指定进程的垃圾回收性能指标，其中 [pid] 是进程 ID，[interval] 是采样间隔时间，[count] 是采样次数。
- jconsole：jconsole 是一个图形化工具，用于监控 JVM 的运行状态。通过 jconsole 工具，可以直观地查看垃圾回收器的性能指标，如内存使用情况、垃圾回收时间、垃圾回收次数等。jconsole 工具还提供了对 JVM 的内存管理、线程管理、类加载等功能的监控，方便用户全面了解 JVM 的运行状态。
- VisualVM：VisualVM 是一个功能强大的图形化工具，用于监控、分析和调试 JVM 的运行状态。VisualVM 工具提供了对 JVM 的内存管理、线程管理、类加载、垃圾回收等功能的详细监控和分析。通过 VisualVM 工具，用户可以方便地查看垃圾回收器的性能指标，如垃圾回收时间、垃圾回收次数、内存占用等，并可以根据这些指标进行相应的调优操作。
浙公网安备 33010602011771号