JVM GC 入门 → 进阶

1. 为什么需要垃圾回收（GC）

• Java 对象在堆上动态分配，程序运行中不断创建对象，若无回收机制，内存会耗尽。
• GC 自动识别不可达对象并回收内存，降低对性能的影响。

2. JVM 堆与分代机制

• 堆（Heap） 始终分为新生代（短生命周期）和老年代（长生命周期）
• 方法区（存储类元数据）：
  • Java 8 前：永久代（PermGen，堆的一部分）存储类信息
  • Java 8+：元空间（Metaspace，使用本地内存）替代永久代
• 分代基于经验：多数对象生命周期短，新生代 GC 频繁但快

3. 垃圾收集器（GC）算法概览

JVM 提供多种垃圾收集器，每种针对不同应用场景进行了优化。核心区别在于 停顿时间（pause time）、吞吐量（throughput） 和 内存整理方式。下面按经典到现代顺序说明：

3.1 Serial GC（串行 GC）

• 特点：单线程、简单高效、适合小内存应用
• 机制：新生代复制 + 老年代标记-压缩
• 优点：实现简单、内存占用小
• 缺点：GC 时暂停整个应用（STW）
• 适用场景：桌面应用、小内存服务器（< 2GB）
• 启用方式：-XX:+UseSerialGC

3.2 Parallel GC（并行 GC）

• 特点：多线程、吞吐量优先
• 机制：新生代复制 + 老年代标记-压缩
• 优点：多线程并行，提高吞吐量
• 缺点：GC 时 STW，停顿时间较长
• 适用场景：后台批处理、吞吐量优先应用
• 启用方式：-XX:+UseParallelGC（Java 9 前默认）

3.3 CMS（Concurrent Mark-Sweep）GC

• 特点：低延迟、并发回收（仅 Java 8-13，Java 14 已移除）
• 机制：初始标记（STW）→ 并发标记 → 重新标记（STW）→ 并发清除
• 优点：减少 STW 时间
• 缺点：CPU 敏感、内存碎片、已过时（Java 14 移除）
• 适用场景：遗留系统、Java 8 环境

3.4 G1 GC（Garbage First）

• 特点：区域化、可预测停顿、JDK 9+ 默认
• 机制：堆划分为 Region，优先回收垃圾最多的 Region
• 优点：可预测停顿、无碎片、适合大堆
• 缺点：实现复杂、小堆性能可能较差
• 适用场景：大内存、低延迟应用
• 启用方式：-XX:+UseG1GC（JDK 9+ 默认）

3.5 ZGC

• 特点：亚毫秒级停顿、TB 级堆内存、并发度极高
• 机制：并发标记 + 并发压缩（仅初始标记、重新标记 STW）
• 优点：极低延迟、支持超大堆、分代模式优化效率
• 缺点：需要 64 位系统、内存占用略高
• 适用场景：高并发、大内存、低延迟应用
• 启用方式：-XX:+UseZGC

3.6 Shenandoah GC

• 特点：OpenJDK 专属、超低停顿（<10ms）
• 机制：并发标记 + 并发压缩（Brooks 指针）
• 优点：停顿极短、适合大堆
• 缺点：OpenJDK 专属、CPU 开销高
• 适用场景：高并发、大内存、低延迟
• 启用方式：-XX:+UseShenandoahGC

3.7 Epsilon GC

• 特点：无回收 GC，仅分配不回收
• 机制：不回收，堆满即退出
• 优点：零 GC 开销
• 缺点：堆满即崩溃
• 适用场景：性能测试、基准测试
• 启用方式：-XX:+UseEpsilonGC

3.8 总结

收集器	停顿时间	吞吐量	堆大小	可用性	适用场景
Serial	高	低	小	全平台	小型应用 / 单线程
Parallel	中	高	中等	全平台	批处理 / 吞吐量敏感
CMS	低	中	中等	全平台	延迟敏感，旧 JVM（Java 8-）
G1	可控	高	中大型	全平台	Web 服务 / 微服务
ZGC	亚毫秒级（<1ms）	高	TB 级（最大 16TB）	全平台	高并发 / 大内存 / 低延迟
Shenandoah	极低（<10ms）	高	TB 级	OpenJDK	高并发 / 大内存 / 超低延迟
Epsilon	无停顿	最高	任意	全平台	性能测试 / 短生命周期应用

如果你不手动指定 -XX:+UseG1GC 或其他收集器，JVM 会自动使用默认收集器：

Java 版本	默认 GC 组合
Java 8 及以前	Parallel Scavenge（新生代）+ Parallel Old（老年代）（简称 Parallel GC）
Java 9 及以后	G1 GC

你可以通过命令行 java -XX:+PrintCommandLineFlags -version 查看实际 JVM 使用的默认 GC。

4. GC 的核心工作流程

图片来源：https://blog.csdn.net/ly0724ok/article/details/116714670

4.1 可达性分析（对象存活判断）

• GC Roots 来源：
  • 栈中引用的对象（局部变量、方法参数）
  • 方法区中类静态属性
  • 常量池中的引用
  • JNI（本地方法）引用
• 不可达对象：没有任何 GC Roots 可以到达 → 被认为是垃圾

4.2 分代回收机制

新生代 GC（Minor GC）：

Eden空间：新生代中最大区域（占80%），新对象首先分配在这里
Survivor 区：新生代中次最大区域（占10%），对象存活时间短的对象移动到这里

• 触发条件：Eden 空间满（新对象无法在Eden区分配）
• 算法：复制算法（Copying）
• 流程：Eden + Survivor 整理 → 活跃对象复制到 Survivor → 老化对象晋升老年代
• 特点：回收快、停顿时间短、非常频繁

老年代 GC（Major GC / Full GC）：

• 触发条件：老年代空间不足、长期存活对象晋升占满
• 算法：标记-清除 或 标记-压缩
• 流程：标记可达对象 → 清除不可达对象 → 可选整理存活对象
• 特点：停顿时间长（Stop-the-World）、老年代碎片化严重时触发

4.3 标记阶段详细流程

STW（Stop-The-World）：暂停所有应用线程，保证对象引用关系一致性

1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接引用的对象，停顿短
2. 并发标记：与应用线程同时执行，标记所有可达对象
3. 重新标记（STW）：修正并发标记遗漏的对象，停顿比初始标记长
4. 清理/整理：清除不可达对象，可选整理存活对象消除碎片

这种流程以 G1 GC 为代表，适用于 CMS、ZGC 等不同 GC 实现

STW影响：应用完全停止响应，是造成GC停顿的主要原因。现代GC（G1、ZGC）通过并发标记减少STW时间。

4.4 GC 触发机制

• 主动触发：应用调用 System.gc()（不保证立即执行）
• 被动触发：
  • Eden 区满 → Minor GC
  • 老年代不足 → Full GC
  • Metaspace 超限 → 元空间回收

5. 对象生命周期与分代关系

• 短生命周期对象 → 新生代 GC 快速回收
• 长生命周期对象 → 多次新生代 GC 后晋升老年代
• 大对象（>10MB）→ 直接进入老年代，避免复制开销

6. 常见 GC 调优与实践

6.1 监控 GC

• 推荐工具：jcmd（替代已弃用的 jmap）
  • 堆转储：jcmd <pid> GC.heap_dump filename=heap.hprof
  • GC 统计：jcmd <pid> GC.class_histogram
• JFR（Java Flight Recorder）：低开销监控，启动：-XX:+FlightRecorder
• JMC（Java Mission Control）：图形化分析JFR数据，实时监控和性能分析
• 其他工具：VisualVM、MAT（内存分析工具）

6.2 合理设置堆大小

• -Xms 和 -Xmx 建议相等，避免动态扩容
• 传统 GC：用 -XX:NewRatio 控制新生代比例
• G1 GC：用 -XX:G1NewSizePercent 动态调整新生代
• 根据对象生命周期调优，避免频繁 GC

6.3 避免内存泄漏

• 及时清理静态集合、未关闭资源、ThreadLocal
• 使用弱引用管理缓存
• 避免大对象直接进入老年代

6.4 选择合适 GC

• 小应用 → Serial/Parallel
• 中大型服务 → G1
• 大堆低延迟 → ZGC/Shenandoah

6.5 调优实践

基本思路：

• 用 JFR + JMC 分析性能
• 结合日志、压测、监控逐步调整
• 先定位瓶颈再调优
• Java 25：默认 G1，大堆用 ZGC，生产用 JFR 监控

GC 优化要点：

1. 减少停顿：使用并发/低停顿 GC（G1、ZGC、Shenandoah）
2. 合理设置堆和分代比例：新生代占 1/3～1/4 堆大小
3. 避免过度创建短生命周期对象：减少 Minor GC 频率
4. 压缩指针和对象对齐：通过 -XX:+UseCompressedOops 节省内存

7. 总结

• JVM GC 自动管理内存，提供多种策略
• 理解原理、选择合适收集器、合理调优
• 现代 GC（G1/ZGC）满足大多数场景需求