垃圾收集技术详解笔记

1. 分代收集理论

当前虚拟机的垃圾收集采用分代收集算法，根据对象存活周期将内存分为不同代区，以优化回收效率。

• 核心分区：
  • 新生代（Young Generation）：对象存活周期短，约99%对象在每次回收时死亡。
  • 老年代（Old Generation）：对象存活率高，无额外分配担保空间。
• 算法选择：
  • 新生代：适用复制算法（效率高，只需复制少量存活对象）。
  • 老年代：适用标记-清除或标记-整理算法（避免复制开销，但速度慢10倍以上）。

2. 垃圾收集算法详解

2.1 标记-复制算法

解决效率问题，将内存分为大小相等的两块。

• 工作流程：
  1. 使用其中一块内存。
  2. 当内存耗尽，将存活对象复制到另一块。
  3. 清理原内存块。
• 内存变化示例：
  • 整理前：碎片化状态。
  • 整理后：存活对象集中到另一块，内存连续。
• 内存区域类型：
  • 可用内存、可回收内存、存活对象、保留内存。

2.2 标记-清除算法

最基础算法，分“标记”和“清除”两阶段。

• 工作流程：
  • 标记存活对象（或需回收对象）。
  • 清除未标记对象。
• 缺点：
  • 效率问题：标记大量对象时性能低。
  • 空间问题：产生内存碎片（不连续空间）。
• 内存变化示例：
  • 整理前：碎片化状态。
  • 整理后：碎片化更严重，仅区分可用内存、可回收内存、存活对象。

2.3 标记-整理算法

专为老年代设计，标记后移动对象以消除碎片。

• 工作流程：
  1. 标记存活对象。
  2. 将所有存活对象向一端移动。
  3. 清理边界外内存。
• 内存变化示例：
  • 回收前：碎片化状态。
  • 回收后：对象紧凑排列，区分存活对象、可回收内存、未使用内存。

3. 垃圾收集器实现

收集器是算法的具体实现，需根据场景选择。无“万能”收集器。

3.1 Serial收集器（-XX:+UseSerialGC, -XX:+UseSerialOldGC）

• 特点：
  • 单线程收集器，工作时暂停所有线程（Stop The World）。
  • 简单高效（无线程交互开销）。
• 算法：
  • 新生代：复制算法。
  • 老年代：标记-整理算法。
• 适用场景：客户端模式或小内存应用。

3.2 Parallel Scavenge收集器（-XX:+UseParallelGC, -XX:+UseParallelOldGC）

• 特点：
  • Serial的多线程版本（默认线程数 = CPU核数）。
  • 关注吞吐量（CPU运行用户代码时间占比）。
• 算法：
  • 新生代：复制算法。
  • 老年代：标记-整理算法。
• Parallel Old收集器：
  • Parallel Scavenge的老年代版本，多线程 + 标记-整理算法。
  • JDK8默认收集器，适合高吞吐场景。

3.3 ParNew收集器（-XX:+UseParNewGC）

• 特点：
  • 类似Parallel，但专为与CMS收集器配合设计。
  • 新生代使用复制算法。
• 适用场景：Server模式下的首选（与CMS兼容）。

3.4 CMS收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC）

• 特点：
  • 并发收集器（最短停顿时间），用户线程与GC线程并行。
  • 基于标记-清除算法。
• 工作流程：
  1. 初始标记（STW）：标记GC Roots直接引用对象。
  2. 并发标记：遍历对象图（无停顿）。
  3. 重新标记（STW）：修正并发标记变动（用增量更新算法）。
  4. 并发清理：清除未标记对象。
  5. 并发重置：重置标记数据。
• 缺点：
  • CPU敏感（与业务线程抢资源）。
  • 浮动垃圾（并发阶段新垃圾需下次回收）。
  • 内存碎片（需定期整理）。
  • 不确定性（可能触发Concurrent Mode Failure，降级为Serial Old）。
• 关键参数：

  -XX:+UseConcMarkSweepGC     # 启用CMS  
  -XX:ConcGCThreads            # 并发GC线程数  
  -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection  # FullGC后整理碎片  
  -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction       # 多少次FullGC后整理一次（默认0）  
  -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction   # 老年代使用比例触发FullGC（默认92%）  
  -XX:+CMSScavengeBeforeRemark         # CMS前启动Minor GC  
  

4. 亿级流量电商系统JVM优化案例

针对订单系统（8G内存，分配4G给JVM）。

• 优化目标：减少Full GC（避免对象过早进入老年代）。
• 参数配置：

  -Xms3072M -Xmx3072M -Xmn2048M   # 堆大小（新生代2G）  
  -Xss1M                          # 线程栈大小  
  -XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M  # 元空间  
  -XX:SurvivorRatio=8             # Eden与Survivor比例  
  -XX:MaxTenuringThreshold=5      # 对象年龄阈值（从15改为5）  
  -XX:PretenureSizeThreshold=1M   # 直接进入老年代对象大小阈值  
  -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC  # 新生代ParNew + 老年代CMS  
  -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92     # 老年代92%触发FullGC  
  -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection        # FullGC后整理碎片  
  -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3          # 每3次FullGC整理一次  
  

• 优化原理：
  • 增大新生代（-Xmn2048M），减少对象动态年龄判断导致的过早晋升。
  • 降低对象年龄阈值（-XX:MaxTenuringThreshold=5），确保短期对象在Minor GC回收。
  • CMS默认参数适合高峰后Full GC（几小时一次）。

5. 垃圾收集底层算法

5.1 三色标记算法

解决并发标记中的漏标问题，将对象分为三色：

• 黑色：已扫描完（安全存活）。
• 灰色：已扫描，但引用未全扫描。
• 白色：未扫描（不可达对象）。
• 问题与解决：
  • 多标（浮动垃圾）：并发阶段局部变量销毁导致本应回收的对象未被回收（下一轮GC处理）。
  • 漏标：通过读写屏障解决：
    • 增量更新（CMS使用）：黑色对象插入新引用时记录，重新扫描。
    • 原始快照（SATB, G1使用）：灰色对象删除引用时记录，重新扫描。
• 读写屏障实现：

  // 写屏障示例（增量更新）  
  void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {pre_write_barrier(field);    // 写前操作（记录旧值）*field = new_value;post_write_barrier(field, new_value); // 写后操作（记录新值）
  }
  

5.2 记忆集与卡表

解决跨代引用问题（如新生代引用老年代）。

• 记忆集（Remember Set）：记录跨代指针集合。
• 卡表实现：字节数组（CARD_TABLE[]），每卡页512字节。
  • 卡页变脏（=1）：有跨代指针时更新。
• 维护：通过写屏障自动更新卡表状态。

6. 总结

• 分代收集是JVM垃圾回收核心，新生代和老年代需匹配不同算法。
• 收集器选择需权衡吞吐量（Parallel Scavenge）和停顿时间（CMS）。
• 优化案例显示：合理配置新生代大小、对象年龄阈值及CMS参数可显著减少Full GC。
• 底层算法（三色标记、读写屏障）确保并发标记的正确性，避免漏标。

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