JVM中有几种GC算法

# JVM中有几种GC算法

## 引言

在Java虚拟机(JVM)中，垃圾回收(GC)是自动内存管理的核心机制。不同的GC算法针对不同场景设计，理解这些算法对性能调优至关重要。本文将系统介绍JVM中的主要GC算法及其实现原理。

## 一、基础GC算法分类

### 1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）

**实现原理：**
1. 标记阶段：从GC Roots出发遍历对象图，标记存活对象
2. 清除阶段：线性遍历堆内存，回收未标记对象占用的空间

**特点：**
- 会产生内存碎片
- 执行效率与存活对象数量正相关
- 典型实现：CMS收集器的老年代回收

### 2. 标记-整理算法（Mark-Compact）

**改进点：**
在标记完成后，将所有存活对象向内存一端移动

**优势：**
- 解决内存碎片问题
- 适合对象存活率高的场景

**缺点：**
- 移动对象成本高
- 需要暂停应用线程（Stop-The-World）

### 3. 复制算法（Copying）

**工作原理：**
将内存分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当进行GC时：
1. 将存活对象复制到另一块内存
2. 清空当前使用的内存块

**特点：**
- 无内存碎片问题
- 空间利用率只有50%
- 适合对象存活率低的场景（如新生代）

## 二、分代收集理论

现代JVM普遍采用分代收集策略，将堆划分为不同区域：

### 1. 新生代（Young Generation）
- 特点：对象生命周期短，GC频繁
- 使用算法：复制算法（Survivor区设计）
- 具体实现：
  - Serial收集器
  - ParNew收集器
  - Parallel Scavenge收集器

### 2. 老年代（Old Generation）
- 特点：对象存活时间长
- 使用算法：
  - 标记-清除（CMS）
  - 标记-整理（Serial Old, Parallel Old）
- 触发条件：Major GC/Full GC

## 三、主流GC实现方案

### 1. Serial收集器
- 单线程STW收集
- 新生代：复制算法
- 老年代：标记-整理
- 适用场景：客户端模式

### 2. Parallel收集器
- 多线程并行收集
- 吞吐量优先
- 包含：
  - Parallel Scavenge（新生代）
  - Parallel Old（老年代）

### 3. CMS收集器（Concurrent Mark-Sweep）
**四阶段过程：**
1. 初始标记（STW）
2. 并发标记
3. 重新标记（STW）
4. 并发清除

**特点：**
- 低延迟优先
- 使用标记-清除算法
- 内存碎片问题

### 4. G1收集器（Garbage-First）
**革新性设计：**
- 将堆划分为多个Region（默认2048个）
- 预测停顿时间模型
- 混合收集模式

**执行流程：**
1. 初始标记
2. 并发标记
3. 最终标记
4. 筛选回收

### 5. ZGC收集器（JDK11+）
**关键技术：**
- 着色指针（Colored Pointers）
- 读屏障（Load Barrier）
- 并发整理
- 目标：亚毫秒级停顿

### 6. Shenandoah收集器
**特点：**
- 并发压缩算法
- 与应用程序线程并发执行
- 低延迟优先

## 四、算法对比分析

| 算法类型       | 吞吐量 | 停顿时间 | 内存占用 | 适用场景           |
|----------------|--------|----------|----------|--------------------|
| Serial         | 中     | 长       | 低       | 客户端应用         |
| Parallel       | 高     | 中       | 中       | 后台计算           |
| CMS            | 中     | 短       | 高       | Web服务            |
| G1             | 中高   | 可预测   | 较高     | 大内存服务         |
| ZGC/Shenandoah | 中     | 极短     | 高       | 低延迟要求严格场景 |

## 五、选择策略建议

1. **吞吐量优先**：Parallel Scavenge + Parallel Old
2. **延迟敏感**：CMS（JDK8及之前）或 G1（JDK9+）
3. **超大堆内存**：G1或ZGC
4. **极致低延迟**：ZGC/Shenandoah（JDK11+）

## 六、最新发展趋势

1. **无分代收集**：ZGC等新一代收集器尝试取消分代假设
2. **异构内存**：针对NVM等新型硬件的GC优化
3. **调优**：基于机器学习的自动参数调整

## 结语

JVM的GC算法经历了从基础理论到工程实践的持续演进。理解不同算法的核心原理和适用场景，是进行JVM调优的基础。随着硬件发展和新需求的涌现，未来必将出现更先进的GC实现方案。

> 注：本文基于JDK17 LTS版本，部分收集器（如Serial/Parallel）在最新版本中已被标记为废弃。

这篇文章约1500字，采用Markdown格式，包含： 1. 多级标题结构 2. 算法原理说明 3. 对比表格 4. 分点列举 5. 技术术语标注 6. 实用建议 7. 版本说明

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