JVM(10)——详解Parallel垃圾回收器

Parallel 垃圾回收器（也称为 吞吐量优先收集器）。它是 Java 早期（特别是 JDK 8 及之前）在多核处理器上的默认垃圾回收器，其核心设计目标是最大化应用程序的吞吐量。

一、Parallel 回收器的定位与设计目标

  1. 核心目标：高吞吐量 (High Throughput)

    • 吞吐量定义： 应用程序运行时间占总时间（应用程序运行时间 + 垃圾回收时间）的比例。吞吐量 = 应用运行时间 / (应用运行时间 + GC 时间) * 100%。

    • 设计哲学： 为了最大化应用代码的执行效率，它愿意使用更长时间的 Stop-The-World (STW) 停顿，换取在应用运行时阶段更高的效率和更短的总运行时间。它假设应用可以容忍较长的、但次数较少的 GC 停顿。

  2. 实现方式：并行处理

    • 充分利用多核 CPU 的优势，在 STW 期间，使用多个 GC 线程并行执行垃圾回收任务（标记、复制/清除、整理），从而加快单次 GC 的速度。

    • 注意： 这里的“并行”(Parallel) 指的是 GC 线程之间的并行（多个 GC 线程同时工作），不是 GC 线程与应用程序线程的并发(Concurrent)。Parallel 回收器在进行垃圾回收时，必须暂停所有应用线程 (STW)。

  3. 分代收集： 遵循分代假说，将堆划分为年轻代 (Young Generation) 和老年代 (Old Generation)，并分别使用不同的并行回收器：

    • 年轻代： Parallel Scavenge (并行复制)

    • 老年代： Parallel Old (并行标记-整理) (在 JDK 6u18 之前，老年代搭配的是单线程的 Serial Old，之后 Parallel Old 成为标准搭配)

  4. 适用场景：

    • 适合后台计算密集型任务，如科学计算、批处理作业、报表生成等。

    • 应用对吞吐量要求极高，对单个 GC 停顿时间不太敏感（可以接受几百毫秒甚至秒级的停顿）。

    • 运行在多核/多 CPU 的服务器上。

二、核心组件与算法

  1. 年轻代：Parallel Scavenge (并行复制)

    • 算法： 复制算法 (Copying)

    • 堆结构： 年轻代划分为一个较大的 Eden 区和两个较小的 Survivor 区 (From, To)。默认比例 Eden : Survivor = 8:1 (可通过 -XX:SurvivorRatio 调整)。

    • 回收过程 (STW)：

      1. 触发条件：Eden 区满。

      2. STW： 暂停所有应用线程。

      3. 并行标记： 多个 GC 线程并行地从 GC Roots 出发，标记 Eden 区和当前 From Survivor 区中的存活对象。

      4. 并行复制： 多个 GC 线程并行地将标记出的存活对象复制到 To Survivor 区。

        • 新对象直接在 Eden 区分配。

        • 对象在 Survivor 区之间每熬过一次 GC，年龄增加 1。

        • 达到晋升年龄阈值 (-XX:MaxTenuringThreshold) 的对象会被晋升 (Promote) 到老年代。

        • 如果 To Survivor 区空间不足以容纳所有存活对象，或者存活对象年龄过大，会直接晋升到老年代。

      5. 清空与交换： 清空 Eden 区和刚使用完的 From Survivor 区。交换 From 和 To 的角色（下次 GC 时，当前的 To 变成新的 From）。

    • 特点： 高效、简单，没有内存碎片。STW 时间与存活对象数量成正比。

  2. 老年代：Parallel Old (并行标记-整理)

    • 算法： 标记-整理 (Mark-Compact)

    • 回收过程 (STW)：

      1. 触发条件：

        • 显式调用 System.gc() (通常不建议)。

        • 老年代空间不足（例如，年轻代晋升失败，或者大对象直接进入老年代导致空间不足）。

        • 元空间 (Metaspace) / 永久代 (PermGen) 空间不足（会连带触发 Full GC）。

      2. STW： 暂停所有应用线程。

      3. 并行标记： 多个 GC 线程并行地从 GC Roots 出发，递归遍历对象图，标记老年代中所有存活对象。

      4. 并行计算整理位置： 多个 GC 线程并行地计算每个存活对象在整理后应该移动到的目标地址（通常是基于区域划分，每个线程负责一块连续区域）。

      5. 并行整理： 多个 GC 线程并行地根据上一步计算出的目标地址，将存活对象复制（移动）到新的位置。这相当于将存活对象“滑动”到堆的一端。

      6. 并行清除： 多个 GC 线程并行地更新所有指向被移动对象的引用（指针）。最后，清除掉整理后边界以外的所有空间（即死亡对象占用的空间）。

    • 特点：

      • 解决了内存碎片问题： 整理过程将存活对象紧密排列在堆的一端，腾出大块的连续空间，消除了内存碎片。

      • STW 时间较长： 整个标记-整理过程需要在 STW 下完成，且涉及全堆扫描和对象移动，对于大堆来说停顿时间可能相当可观（秒级）。

      • 吞吐量高： 并行化极大地加速了整个回收过程，相比单线程的 Serial Old 快很多。

三、核心特性与优势

  1. 高吞吐量： 这是其最主要也是最大的优势。通过并行化 GC 任务，最大限度地减少了 GC 本身所占用的时间（尽管每次停顿时间长，但频率相对较低），使得应用线程有更多的时间执行业务逻辑，特别适合需要处理大量数据、完成繁重计算任务的场景。

  2. 高效利用多核 CPU： 在 STW 期间，它能让所有可用的 CPU 核心全力投入垃圾回收工作，充分利用硬件资源加速 GC。

  3. 内存碎片控制 (Parallel Old)： 老年代使用标记-整理算法，避免了像 CMS 那样的内存碎片问题，不会因为碎片导致分配失败而触发更耗时的 Full GC。

  4. 成熟稳定： 作为 JDK 8 及之前的默认回收器，经过长期发展和优化，非常成熟稳定。

四、缺点与挑战

  1. 较长的 STW 停顿时间： 这是追求高吞吐量付出的代价。无论是年轻代的 Parallel Scavenge 还是老年代的 Parallel Old，在进行回收时都必须暂停所有应用线程，且停顿时间会随着堆大小的增加而增加。这对于需要低延迟、快速响应的应用（如 Web 服务、实时交易系统）是不可接受的。

  2. 暂停时间不可预测： 停顿时间的长短主要取决于堆中存活对象的数量和堆的大小，不像 G1 或 CMS 那样有明确的停顿时间目标模型。停顿时间波动可能较大。

  3. 缺乏并发性： GC 线程与应用线程不能同时工作。在 GC 发生时，应用完全停止。

  4. 调优相对复杂 (主要针对吞吐量目标)：

    • 需要平衡堆大小、各代比例与 GC 频率/停顿时间的关系。

    • 核心调优参数围绕吞吐量和停顿时间目标设定。

五、关键配置参数

  • 启用 Parallel 回收器：

    • JDK 8 及之前：默认启用。或显式指定 -XX:+UseParallelGC (启用 Parallel Scavenge + Serial Old) 或 -XX:+UseParallelOldGC (启用 Parallel Scavenge + Parallel Old, 推荐)。在 JDK 8 中，UseParallelGC 默认会激活 UseParallelOldGC。

    • JDK 9+：不再是默认回收器 (G1 是默认)，需显式指定 -XX:+UseParallelGC 或 -XX:+UseParallelOldGC。

  • 设置 GC 线程数：

    • -XX:ParallelGCThreads=<n>: 设置用于年轻代和老年代并行 GC 的线程数。默认值通常等于 CPU 核心数。对于 CPU 密集型应用，设置接近核心数可最大化并行效率；对于 IO 密集型或 CPU 核心非常多的情况，可以适当减少以避免过度切换。

  • 吞吐量目标 (首要目标)：

    • -XX:GCTimeRatio=<ratio>: 最重要的吞吐量控制参数。 设置期望的 GC 时间与应用程序时间之比。公式为 应用运行时间 = GCTimeRatio * GC 时间。默认值 99 表示 应用时间 : GC 时间 = 99 : 1，即吞吐量目标为 99% (1 - 1/(1+99) = 0.99)。增大此值（如 99 -> 199）表示允许更少的 GC 时间（更高的吞吐量），JVM 会尝试通过增大堆空间（减少 GC 频率）或更激进地回收（可能增加单次停顿时间）来实现。

  • 最大 GC 停顿时间目标 (次要目标/软目标)：

    • -XX:MaxGCPauseMillis=<ms>: 设置期望的每次 GC 停顿的最大毫秒数。这是一个软目标 (Soft Goal)，JVM 会尽力达成，但不保证绝对满足，且优先级低于 GCTimeRatio。默认值不设置。设置一个合理的值（如 100-500ms）可以指导 JVM 调整堆和代的大小（例如，为了减少单次停顿时间，可能会缩小年轻代，导致更频繁但更短的 Young GC）。

  • 堆大小与代大小：

    • -Xms / -Xmx: 设置堆的初始大小和最大大小。通常设置为相同值以避免堆大小动态调整的开销，这对吞吐量应用很关键。

    • -XX:NewRatio=<ratio>: 设置老年代与年轻代的比例。例如 -XX:NewRatio=3 表示 老年代:年轻代 = 3:1 (年轻代占堆的 1/4)。

    • -XX:NewSize=<size> / -XX:MaxNewSize=<size>: 直接设置年轻代的初始大小和最大大小 (优先级高于 NewRatio)。

    • -XX:SurvivorRatio=<ratio>: 设置 Eden 区与一个 Survivor 区的比例。例如 -XX:SurvivorRatio=8 表示 Eden : Survivor = 8:1 (每个 Survivor 占年轻代的 1/10)。

  • 晋升年龄控制：

    • -XX:MaxTenuringThreshold=<age>: 设置对象晋升到老年代前在年轻代经历的最大 GC 次数（年龄）。默认值 15。增大此值可以让对象在年轻代停留更久，减少晋升到老年代的数量，从而减少 Full GC 频率。但设置过大可能导致 Survivor 区溢出或对象在多次 Young GC 中反复复制。

六、调优注意事项

  1. 优先保障吞吐量 (GCTimeRatio): 这是 Parallel 回收器的核心目标。调优应首先关注 GCTimeRatio 是否达到预期。

  2. 合理设置堆大小 (-Xms=-Xmx): 足够大的堆可以减少 GC 频率。但过大的堆会导致单次 GC 停顿时间更长。找到平衡点。

  3. 监控 GC 日志： 使用 -Xlog:gc* (JDK 9+) 或 -verbose:gc + -XX:+PrintGCDetails + -XX:+PrintGCDateStamps (JDK 8) 等参数输出详细 GC 日志。分析：

    • 实际吞吐量 (应用时间 / 总时间)。

    • Young GC / Full GC 的频率和平均/最大停顿时间。

    • 各代空间占用情况、晋升情况。

  4. 理解 MaxGCPauseMillis 的副作用： 为了达到更短的停顿目标，JVM 可能会：

    • 缩小年轻代 → 增加 Young GC 频率（虽然每次短了，但总次数多了）。

    • 降低晋升年龄阈值 → 增加晋升到老年代的对象 → 增加 Full GC 频率。

    • 这些调整可能损害吞吐量 (GCTimeRatio)！ 设置 MaxGCPauseMillis 需谨慎，并监控其对吞吐量的影响。

  5. 避免过早晋升： 确保 Survivor 区足够大 (SurvivorRatio)，并且 MaxTenuringThreshold 设置合理，避免大量“朝生夕死”的对象过早进入老年代触发 Full GC。

七、与 CMS/G1/ZGC/Shenandoah 的对比

  • vs CMS： CMS 追求低延迟（减少 STW 时间），使用并发标记清除（有碎片问题）。Parallel 追求高吞吐量，使用并行 STW 回收（无碎片）。CMS 在 JDK 14+ 已移除。

  • vs G1： G1 也利用并行性，但核心目标是可预测的低停顿，同时兼顾高吞吐量。它采用 Region 化堆和部分回收，支持并发标记，停顿时间模型更可控。G1 是 JDK 9+ 的默认回收器，更适合需要平衡吞吐量和延迟的大堆应用。

  • vs ZGC / Shenandoah： 新一代超低延迟回收器，停顿时间目标是 亚毫秒级 (<10ms)，且几乎不随堆大小增长。它们使用了染色指针、读屏障等更先进的技术实现高度并发。适用于超大堆和极致延迟要求的场景。它们也追求高吞吐量，但在极高吞吐量场景下，Parallel 可能仍有微弱的理论优势（因为并发回收器有运行时屏障开销）。

八、总结

Parallel 垃圾回收器（Parallel Scavenge + Parallel Old）是 JVM 中经典的吞吐量优先解决方案。其核心优势在于：

  • 最大化应用程序吞吐量： 通过并行化 STW 期间的垃圾回收任务，充分利用多核 CPU 资源，最小化 GC 本身占用的总时间。

  • 高效稳定： 成熟可靠，特别适合计算密集型、批处理型应用。

  • 内存整理 (Parallel Old)： 避免老年代碎片问题。

其主要代价是：

  • 较长的、不可预测的 STW 停顿： 不适合延迟敏感型应用。

  • 缺乏并发处理能力。

适用场景： 当应用的核心需求是用最短的总时间完成尽可能多的工作任务（高吞吐量），并且可以容忍秒级或几百毫秒级的、偶发的暂停（如后台报表生成、科学计算、离线数据分析）时，Parallel 回收器是一个非常好的选择，尤其是在 JDK 8 环境中。在新版本 JDK (9+) 中，虽然 G1 是默认且更通用，但如果吞吐量是绝对优先指标且停顿可接受，Parallel 仍然是值得考虑的选项。对于需要极低延迟或超大堆的应用，则应考虑 G1、ZGC 或 Shenandoah。

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