JVM基础及垃圾回收

一、常用JVM参数

-Xms: 初始堆大小
-Xmx: 最大堆
-Xmn: 新生代大小
-Xss:  栈容量
-PermSize: 方法区大小
-MaxPermSize: 最大方法区大小
-MaxDirectMemorySize:  最大直接内存大小

二、java虚拟机基本结构

 

1.PC寄存器（程序计数器）：线程私有的，记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。

2.java栈（虚拟机栈）：线程私有的，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法的调用到完成对应入栈到出栈的过程。

3.本地方法栈：线程私有的，为native方法服务。

4.java堆：线程共享的，用于存放对象实例。从内存回收的角度看，分为新生代（eden、from、to）和老年代；从内存分配的角度看，java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（TLAB）。

5.方法区（永久代）：线程共享的，用于存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。GC行为比较少，主要针对常量池的回收和对类型的卸载。

5.1 运行时常量池：是方法区的一部分，用于存放编译期生成的字面量和符号引用。

6.直接内存：不受java堆大小的限制，直接申请系统的物理内存。

 

三、垃圾回收策略

主要针对堆区进行回收，方法区收集效率很低。

3.1 垃圾收集算法

3.1.1 标记-清除算法

主要用于老年代，首先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收。
优点：简单
缺点：标记和清除的效率都不高，而且会产生大量的内存碎片。

3.1.2 复制算法

将内存分为大小相等的两块，每次只使用一块。当这一块内存用完了，就把存活的对象复制到另一块上，然后清除这一块。
主要用于新生代，把新生代按8:1:1的比例分，edan区分80%，from存活区和to存活区分10%。回收时，将edan和from（to）中存活的对象一次性复制到to（from）中，
然后清理掉，如果存活区空间不足，就分配到老年代。

3.1.3 标记-整理算法

主要用于老年代，标记过程与“标记-清除”算法一样，为解决内存碎片的问题，后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都像一端移动，
然后直接清理掉端边界以外的内存。

3.2 垃圾收集器

3.2.1 Serial（串行）收集器

单线程，串行，用于新生代，使用复制算法，运行在Client模式下。
优点：简单高效。缺点：它进行垃圾回收时，必须暂停其他所有的工作线程，直到收集结束。

3.2.2 Serial Old收集器

单线程，串行，用于老年代，使用标记整理算法，运行在Client模式下。
优点：简单高效。缺点：它进行垃圾回收时，必须暂停其他所有的工作线程，直到收集结束。
如果在Server模式下，它可以和Parallel Scavenge收集器搭配使用；还可以作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Model Failure 时使用。

3.2.3 ParNew收集器

用于新生代，其实就是Serial的多线程版本，它第一次实现了让垃圾收集线程和用户线程（基本上）同时工作，运行在Server模式下。但在单CPU环境下不如Serial。

3.2.4 Parallel（并行） Scavenge（打扫）收集器

用于新生代，使用复制算法，多线程，和ParNew类似。但是它的关注点是吞吐量【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）】，
其他收集器的关注点是缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。-XX:MaxGCPauseMillis控制最大垃圾收集停顿时间，-XX:GCTimeRatio设置吞吐量的大小

3.2.5 Parallel Old收集器

是 Parallel Scavenge收集器的老年代版本，多线程，使用“标记-整理”算法。
在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，可以优先考虑Parallel Scavenge和Parallel Old搭配使用。

3.2.6 CMS收集器

目的是获取最短回收停顿时间 ，使用标记-清除算法。运作过程分为1.初始标记(STW)；2.并发标记；3.重新标记(STW)；4.并发清除。
优点：并发收集、低停顿
缺点：
1.因为是并发设计的，所以当CPU不足时，效率会不高；
2.由于并发清理阶段，用户线程还在产生垃圾，所以在jdk1.5中，CMS在老年代使用了68%时被激活，jdk1.6中，是92%。要是CMS运行期间内存不足，就会出现“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机会启用Serial Old来重新收集，这样停顿时间会更长了。
3. 因为是基于“标记-清除”算法，会有大量空间碎片。为了解决这个问题，CMS提供了碎片合并整理过程，但停顿时间更长了。

3.2.7 G1收集器

G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器。
特点：并发和并行、分代收集、空间整合、可预测的停顿
运作步骤：初始标记、并发标记、最终标记、筛选回收
使用G1时，它将整个java堆划分为多个大小相等的独立区域(Region)，新生代和老年代不再是物理隔离了，他们都是一部分Region的集合。
G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小，优先回收价值最大的Region。
jdk7 默认Parallel Scavenge（新生代）+ Parallel Old（老年代）
jdk8 默认Parallel Scavenge（新生代）+ Parallel Old（老年代）
jdk9 默认G1
-XX:+PrintCommandLineFlagsjvm参数可查看默认设置收集器类型
-XX:+PrintGCDetails可通过打印的GC日志的新生代、老年代名称判断

四、内存分配

1.对象优先在Eden分配，当eden内存不足时，系统会发起一次Minor GC。经过一轮GC 后，对象会进入Survivor区，当Survivor区不足时，对象会直接分配到老年代。
2.大对象直接进入老年代。
3.长期存活的对象将进入老年代。在新生代，每经过一次GC，对象的年龄就加1，当加到15（默认值）时，就进入老年代。

五、G1 vs ZGC

G1：将新生代/老年代划分为多个Region，过程如下：Young GC → 并发标记 → Mixed GC → 循环往复

• Young GC（年轻代标记回收）：标记存活对象（短暂STW），将存活对象复制到Survivor或Old区，然后清空该Region
• 并发标记（老年代标记）：老年代到达45%，启动并发标记。完成后会进行最终标记（这一步存在STW）处理并发期间的变动（如新增对象、引用修改）。会使用读屏障处理对象引用变化
• Mixed GC（混合回收年轻代+老年代）：选择垃圾最多的Region，使用复制算法进行回收

ZGC：

STW：Stop The World

读屏障：

着色指针：

 

特性	G1 (Garbage-First)	ZGC (Z Garbage Collector)
引入版本	JDK 7u4（JDK 9 成为默认）	JDK 11（实验性），JDK 15 起生产可用
设计目标	平衡吞吐量与停顿时间，适用于大堆	极低停顿时间（<10ms），支持超大堆
最大停顿时间	可配置（默认约 200ms），但随堆增长可能上升	极低且稳定（通常 < 10ms），基本不受堆大小影响
停顿阶段（STW）	Young GC 和 Mixed GC 期间有明显 STW	初始标记和最终转移阶段有极短 STW，其他阶段并发
并发性	部分并发（如并发标记），但 Young/Mixed GC 仍需 STW	高度并发：标记、清理、重定位均并发执行
堆内存支持	适合大堆（几十GB 到 TB 级）	支持超大堆（可达数 TB）
内存开销	约 5%~10%	约 15%~20%（因着色指针等元数据）
算法基础	分代 + Region + 标记-清除 + 复制	分代（可选）+ Region + 并发标记-整理
是否压缩/整理	Mixed GC 时进行部分压缩，减少碎片	并发重定位，主动整理内存，避免碎片
着色指针（Colored Pointers）	❌ 不使用	✅ 使用（将 GC 信息编码在指针中）
读屏障（Load Barrier）	✅ 使用（用于并发标记）	✅ 使用（用于并发重定位和标记）
NUMA 支持	❌ 不支持	✅ 支持（可优化多插槽服务器性能）
适用场景	一般大型服务、对停顿有一定要求的应用	对延迟极度敏感的系统（如金融交易、实时系统）
调优复杂度	中等，可通过 -XX:MaxGCPauseMillis 等参数调优	较低，多数情况下开箱即用，参数较少
Full GC 类型	可能退化为 Serial Old（单线程，长时间 STW）	可能退化为 Serial GC，但概率较低

总结建议：

• 选择 G1：如果您的应用堆大小在几十GB以内，对停顿时间有一定要求但不是极端敏感，且希望有较好的吞吐量与稳定性，G1 是成熟且广泛使用的选择。

• 选择 ZGC：如果您的应用堆非常大（上百GB 或 TB 级），且对 GC 停顿时间要求极高（如必须控制在 10ms 以内），ZGC 是更优的选择，尤其适合实时系统、高并发后台服务等场景。

随着 JDK 的发展，ZGC 正在成为未来低延迟 GC 的主流方向，而 G1 依然是当前许多生产系统的可靠选择。

六、堆内存申请后，还会归还给系统吗

程序运行时，会从最小配额-Xms 一直申请到最大配额-Xmx，超出后会OOM。假设当前占用8G，经过垃圾回收后，清理了2G垃圾，此时占用内存是6G，但申请内存还是8G，不会轻易的归还给操作系统