如何理解JVM全部垃圾回收器
引言
Java虚拟机（JVM）是Java程序运行的核心环境，而垃圾回收器（Garbage Collector, GC）则是JVM内存管理的重要组成部分。垃圾回收器负责自动回收不再使用的对象，释放内存空间，从而避免内存泄漏和内存溢出等问题。随着Java的发展，JVM提供了多种垃圾回收器，每种回收器都有其特定的应用场景和优缺点。本文将详细介绍JVM中的全部垃圾回收器，帮助读者深入理解其工作原理和适用场景。
1. 垃圾回收的基本概念
在深入探讨各种垃圾回收器之前，我们需要先了解一些基本的垃圾回收概念。
1.1 垃圾回收的目标
垃圾回收的主要目标是自动管理内存，确保程序在运行过程中不会因为内存泄漏或内存溢出而崩溃。具体来说，垃圾回收器需要完成以下任务：
- 识别垃圾对象：确定哪些对象已经不再被程序使用。
- 回收内存：释放这些垃圾对象占用的内存空间。
- 整理内存：在某些情况下，垃圾回收器还需要整理内存，以减少内存碎片。
1.2 垃圾回收的算法
垃圾回收器通常基于以下几种算法来实现：
- 标记-清除算法（Mark-Sweep）：首先标记所有存活的对象，然后清除未被标记的对象。
- 复制算法（Copying）：将内存分为两个区域，每次只使用其中一个区域，当该区域满时，将存活的对象复制到另一个区域，然后清空当前区域。
- 标记-整理算法（Mark-Compact）：在标记存活对象后，将所有存活对象移动到内存的一端，然后清除剩余的内存空间。
- 分代收集算法（Generational）：根据对象的生命周期将内存分为不同的代（如年轻代和老年代），并对不同代采用不同的回收策略。
2. JVM中的垃圾回收器
JVM提供了多种垃圾回收器，每种回收器都有其特定的应用场景和优缺点。以下是JVM中常见的垃圾回收器：
2.1 Serial收集器
Serial收集器是最古老的垃圾回收器之一，它是一个单线程的收集器，适用于单核CPU或小型应用场景。
2.1.1 工作原理
Serial收集器采用标记-整理算法，在垃圾回收时，它会暂停所有用户线程（Stop-The-World），然后单线程地完成垃圾回收工作。
2.1.2 优点
- 简单高效：由于是单线程操作，Serial收集器的实现非常简单，且在单核CPU上表现良好。
- 低开销：由于没有多线程的开销，Serial收集器的内存占用较小。
2.1.3 缺点
- 停顿时间长：由于是单线程操作，垃圾回收时会导致较长的停顿时间，不适合对响应时间要求较高的应用场景。
2.1.4 适用场景
- 单核CPU：在单核CPU上，Serial收集器可以充分利用CPU资源。
- 小型应用：对于内存占用较小、对响应时间要求不高的应用，Serial收集器是一个不错的选择。
2.2 Parallel收集器
Parallel收集器是Serial收集器的多线程版本，它使用多个线程并行地进行垃圾回收，适用于多核CPU和中等规模的应用场景。
2.2.1 工作原理
Parallel收集器采用标记-整理算法，在垃圾回收时，它会暂停所有用户线程，然后使用多个线程并行地完成垃圾回收工作。
2.2.2 优点
- 高吞吐量：由于是多线程操作，Parallel收集器可以充分利用多核CPU的优势，提高垃圾回收的效率。
- 适合中等规模应用：对于内存占用中等、对响应时间要求不高的应用，Parallel收集器是一个不错的选择。
2.2.3 缺点
- 停顿时间较长：虽然Parallel收集器使用了多线程，但在垃圾回收时仍然需要暂停所有用户线程，导致较长的停顿时间。
2.2.4 适用场景
- 多核CPU：在多核CPU上，Parallel收集器可以充分利用CPU资源，提高垃圾回收的效率。
- 中等规模应用：对于内存占用中等、对响应时间要求不高的应用，Parallel收集器是一个不错的选择。
2.3 CMS收集器
CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器是一种以低停顿时间为目标的垃圾回收器，适用于对响应时间要求较高的应用场景。
2.3.1 工作原理
CMS收集器采用标记-清除算法，它通过并发标记和并发清除的方式，尽量减少垃圾回收时的停顿时间。具体来说，CMS收集器分为以下几个阶段：
- 初始标记（Initial Mark）：标记所有从GC Roots直接可达的对象，这个阶段需要暂停用户线程。
- 并发标记（Concurrent Mark）：并发地标记所有存活的对象，这个阶段不需要暂停用户线程。
- 重新标记（Remark）：修正并发标记阶段由于用户线程运行而导致的对象状态变化，这个阶段需要暂停用户线程。
- 并发清除（Concurrent Sweep）：并发地清除未被标记的对象，这个阶段不需要暂停用户线程。
2.3.2 优点
- 低停顿时间：由于大部分垃圾回收工作都是并发进行的，CMS收集器的停顿时间较短，适合对响应时间要求较高的应用场景。
- 适合大内存应用：对于内存占用较大的应用，CMS收集器可以有效地减少垃圾回收时的停顿时间。
2.3.3 缺点
- 内存碎片：由于CMS收集器采用标记-清除算法，可能会导致内存碎片，从而影响内存的分配效率。
- CPU资源占用：由于CMS收集器是并发执行的，可能会占用较多的CPU资源，影响应用程序的性能。
2.3.4 适用场景
- 对响应时间要求高的应用：对于需要快速响应的应用，如Web服务器、实时系统等，CMS收集器是一个不错的选择。
- 大内存应用：对于内存占用较大的应用，CMS收集器可以有效地减少垃圾回收时的停顿时间。
2.4 G1收集器
G1（Garbage-First）收集器是JVM中一种面向服务端应用的垃圾回收器，它旨在提供高吞吐量和低停顿时间的平衡。
2.4.1 工作原理
G1收集器采用分代收集算法，它将堆内存划分为多个大小相等的区域（Region），每个区域可以是年轻代、老年代或大对象区域。G1收集器通过并发标记和并发清除的方式，尽量减少垃圾回收时的停顿时间。具体来说，G1收集器分为以下几个阶段：
- 初始标记（Initial Mark）：标记所有从GC Roots直接可达的对象，这个阶段需要暂停用户线程。
- 并发标记（Concurrent Mark）：并发地标记所有存活的对象，这个阶段不需要暂停用户线程。
- 最终标记（Final Mark）：修正并发标记阶段由于用户线程运行而导致的对象状态变化，这个阶段需要暂停用户线程。
- 筛选回收（Evacuation）：根据用户指定的停顿时间目标，选择部分区域进行回收，这个阶段需要暂停用户线程。
2.4.2 优点
- 高吞吐量：G1收集器可以充分利用多核CPU的优势，提高垃圾回收的效率。
- 低停顿时间：G1收集器通过并发标记和并发清除的方式，尽量减少垃圾回收时的停顿时间。
- 内存碎片少：G1收集器通过整理内存，减少内存碎片，提高内存的分配效率。
2.4.3 缺点
- 实现复杂：G1收集器的实现较为复杂，可能会导致较高的CPU资源占用。
- 内存占用较大：由于G1收集器需要维护多个区域的状态，可能会导致较高的内存占用。
2.4.4 适用场景
- 服务端应用：对于需要高吞吐量和低停顿时间的服务端应用，G1收集器是一个不错的选择。
- 大内存应用：对于内存占用较大的应用，G1收集器可以有效地减少垃圾回收时的停顿时间。
2.5 ZGC收集器
ZGC（Z Garbage Collector）是JVM中一种面向低停顿时间的垃圾回收器，适用于对响应时间要求极高的应用场景。
2.5.1 工作原理
ZGC采用并发标记-整理算法，它通过并发标记、并发整理和并发清除的方式，尽量减少垃圾回收时的停顿时间。具体来说，ZGC分为以下几个阶段：
- 初始标记（Initial Mark）：标记所有从GC Roots直接可达的对象，这个阶段需要暂停用户线程。
- 并发标记（Concurrent Mark）：并发地标记所有存活的对象，这个阶段不需要暂停用户线程。
- 最终标记（Final Mark）：修正并发标记阶段由于用户线程运行而导致的对象状态变化，这个阶段需要暂停用户线程。
- 并发整理（Concurrent Relocate）：并发地整理内存，将存活对象移动到新的内存区域，这个阶段不需要暂停用户线程。
- 并发清除（Concurrent Clean）：并发地清除未被标记的对象，这个阶段不需要暂停用户线程。
2.5.2 优点
- 极低停顿时间：ZGC的停顿时间通常在几毫秒以内，适合对响应时间要求极高的应用场景。
- 大内存支持：ZGC可以支持非常大的堆内存（TB级别），适合内存占用极大的应用。
2.5.3 缺点
- 实现复杂：ZGC的实现非常复杂，可能会导致较高的CPU资源占用。
- 内存占用较大：由于ZGC需要维护多个内存区域的状态，可能会导致较高的内存占用。
2.5.4 适用场景
- 对响应时间要求极高的应用：对于需要极低停顿时间的应用，如实时系统、金融交易系统等，ZGC是一个不错的选择。
- 大内存应用：对于内存占用极大的应用，ZGC可以有效地减少垃圾回收时的停顿时间。
2.6 Shenandoah收集器
Shenandoah收集器是JVM中一种面向低停顿时间的垃圾回收器，适用于对响应时间要求较高的应用场景。
2.6.1 工作原理
Shenandoah收集器采用并发标记-整理算法，它通过并发标记、并发整理和并发清除的方式，尽量减少垃圾回收时的停顿时间。具体来说，Shenandoah分为以下几个阶段：
- 初始标记（Initial Mark）：标记所有从GC Roots直接可达的对象，这个阶段需要暂停用户线程。
- 并发标记（Concurrent Mark）：并发地标记所有存活的对象，这个阶段不需要暂停用户线程。
- 最终标记（Final Mark）：修正并发标记阶段由于用户线程运行而导致的对象状态变化，这个阶段需要暂停用户线程。
- 并发整理（Concurrent Relocate）：并发地整理内存，将存活对象移动到新的内存区域，这个阶段不需要暂停用户线程。
- 并发清除（Concurrent Clean）：并发地清除未被标记的对象，这个阶段不需要暂停用户线程。
2.6.2 优点
- 低停顿时间：Shenandoah的停顿时间通常在几毫秒以内，适合对响应时间要求较高的应用场景。
- 大内存支持：Shenandoah可以支持非常大的堆内存（TB级别），适合内存占用极大的应用。
2.6.3 缺点
- 实现复杂：Shenandoah的实现非常复杂，可能会导致较高的CPU资源占用。
- 内存占用较大：由于Shenandoah需要维护多个内存区域的状态，可能会导致较高的内存占用。
2.6.4 适用场景
- 对响应时间要求较高的应用：对于需要低停顿时间的应用，如Web服务器、实时系统等，Shenandoah是一个不错的选择。
- 大内存应用：对于内存占用极大的应用，Shenandoah可以有效地减少垃圾回收时的停顿时间。
3. 如何选择合适的垃圾回收器
选择合适的垃圾回收器需要考虑多个因素，包括应用的内存占用、对响应时间的要求、CPU资源等。以下是一些选择垃圾回收器的建议：
- 单核CPU或小型应用：可以选择Serial收集器，它简单高效，适合单核CPU或内存占用较小的应用。
- 多核CPU或中等规模应用：可以选择Parallel收集器，它充分利用多核CPU的优势，适合内存占用中等、对响应时间要求不高的应用。
- 对响应时间要求较高的应用：可以选择CMS收集器或G1收集器，它们通过并发标记和并发清除的方式，尽量减少垃圾回收时的停顿时间。
- 对响应时间要求极高的应用：可以选择ZGC或Shenandoah收集器，它们的停顿时间通常在几毫秒以内，适合对响应时间要求极高的应用。
4. 总结
JVM提供了多种垃圾回收器，每种回收器都有其特定的应用场景和优缺点。理解这些垃圾回收器的工作原理和适用场景，有助于我们在实际应用中选择合适的垃圾回收器，从而提高应用的性能和稳定性。随着Java的发展，垃圾回收器的技术也在不断进步，未来可能会出现更多高效、低停顿的垃圾回收器，值得我们持续关注和学习。
