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【面试精讲】Java有哪些垃圾回收器？工作原理都是什么？它们有什么区别？
2024-04-10 01:00:06基础资料围观189次
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【面试精讲】Java有哪些垃圾回收器？工作原理都是什么？它们有什么区别？
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本文导读
在Java世界中，垃圾回收（Garbage Collection, GC）是自动内存管理的一部分，它帮助开发者免于直接处理内存分配和释放，从而避免了许多内存泄漏和指针错误。随着Java技术的演进，出现了多种垃圾回收器，它们各有特点，适用于不同的场景和需求。
本文将深入探讨Java中的Serial、Parallel Scavenge、CMS、G1主要垃圾回收器，它们的工作原理以及它们之间的区别。
其中 CMS 收集器是 JDK 8 之前的主流收集器， JDK 9 之后的默认收集器为 G1
一、垃圾回收器概览
在Java虚拟机（JVM）中每种回收器都有其独特的工作原理和使用场景，主要的垃圾回收器包括：
- 串行垃圾回收器（Serial GC）：这是最基本的GC实现，它在进行垃圾回收时会暂停所有应用线程（"Stop-The-World"），因此它适用于单核服务器或者用于客户端应用中。
- 并行垃圾回收器（Parallel GC）：并行回收器在垃圾收集阶段同样会暂停所有应用线程，但它在垃圾回收时使用多个线程并行工作，因此在多核服务器上性能较好。它是JVM的默认垃圾回收器。
- 并发标记清除（CMS）垃圾回收器：CMS回收器的目标是减少应用暂停时间。它在回收大部分垃圾时应用线程可以继续工作。它的缺点是会产生较多的内存碎片。
- G1垃圾回收器：G1是一个面向服务器的垃圾回收器，旨在在具有大量内存的多核机器上，实现高吞吐量和低暂停时间。它通过将堆划分为多个区域（Region）来实现。
- ZGC（Z Garbage Collector）：这两个是最新的垃圾回收器，旨在实现几乎没有暂停时间的垃圾收集。它们适用于需要极低暂停时间及大堆内存的应用。
Serial GC工作原理概览
使用单个线程进行垃圾回收，它在进行垃圾回收时会停止所有用户线程，直到垃圾回收完成。
Parallel GC工作原理概览
并行回收器在进行垃圾收集时，多个垃圾收集线程并行工作，以提高垃圾收集的效率。它主要用于在垃圾收集时减少系统暂停的时间。
CMS回收器工作原理概览
CMS回收器分为几个阶段，其中大部分阶段都可以与应用线程同时运行，只有在初始标记和重新标记阶段才需要暂停所有应用线程。
G1回收器工作原理概览
G1回收器通过将堆内存划分为多个区域，并在这些区域中进行增量式的垃圾回收来实现高效的垃圾回收。它旨在提供一种更灵活的垃圾回收方式，以达到低暂停时间和高吞吐量的平衡。
2、选择适合的垃圾回收器
选择哪种垃圾回收器取决于应用的需求：
对于需要低延迟的应用，可以考虑使用CMS、G1或ZGC和Shenandoah。
如果应用运行在单核或者内存较小的环境中，串行回收器Serial GC可能是最佳选择。
对于追求吞吐量的应用，可以考虑使用并行回收器Parallel GC或G1回收器。
二、串行垃圾回收器（Serial GC）
串行垃圾回收器（Serial GC）是Java中最古老且简单的垃圾回收器之一，它针对单线程环境设计，适用于小型数据处理和具有较小内存的JVM实例。由于它是单线程工作的，因此串行GC在执行垃圾收集时会暂停所有应用线程，这种暂停被称为“Stop-The-World”（STW）事件。
工作原理
串行垃圾回收器在年轻代采用标记-复制（Mark-Copy）算法，在老年代采用标记-整理（Mark-Sweep-Compact）算法。这两种算法的基本概念如下：
- 标记-复制：首先标记出所有可达的对象，然后将所有存活的对象复制到另一个区域，最后清空原始区域中的所有对象。
- 标记-整理：先标记所有存活的对象，然后移动对象压缩堆空间，最后清除掉剩余的垃圾对象。
工作流程模拟代码示例：
public class SerialGCSimulator {
// 模拟堆内存结构
private static class Heap {
Object[] youngGen; // 年轻代
Object[] oldGen; // 老年代
public Heap(int youngSize, int oldSize) {
youngGen = new Object[youngSize];
oldGen = new Object[oldSize];
}
// ... 其他堆操作方法 ...
}
// 标记过程
private void mark(Object obj, boolean[] reachable) {
// 假设通过某种方式可以获取对象引用，并标记为可达
// 在实际的JVM中，这一过程会从根集合开始，遍历所有可达对象
if (obj != null) {
int index = findIndexOf(obj);
reachable[index] = true;
}
}
// 复制过程
private void copy(boolean[] reachable, Object[] fromSpace, Object[] toSpace) {
int toIndex = 0;
for (int i = 0; i < fromSpace.length; i++) {
if (reachable[i]) {
toSpace[toIndex++] = fromSpace[i]; // 复制可达对象
fromSpace[i] = null; // 清除原位置上的对象引用
}
}
}
// 整理过程
private void compact(Object[] generation) {
int toIndex = 0;
for (Object obj : generation) {
if (obj != null) {
generation[toIndex++] = obj; // 移动对象，压缩空间
}
}
// 清除剩余的垃圾对象
for (int i = toIndex; i < generation.length; i++) {
generation[i] = null;
}
}
// 运行垃圾回收模拟
public void runGC(Heap heap) {
// 假设知道每个对象是否可达
boolean[] youngReachable = new boolean[heap.youngGen.length];
boolean[] oldReachable = new boolean[heap.oldGen.length];
// 模拟标记过程
for (Object obj : heap.youngGen) {
mark(obj, youngReachable);
}
for (Object obj : heap.oldGen) {
mark(obj, oldReachable);
}
// 模拟复制过程（年轻代）
Object[] newYoungGen = new Object[heap.youngGen.length];
copy(youngReachable, heap.youngGen, newYoungGen);
heap.youngGen = newYoungGen;
// 模拟整理过程（老年代）
compact(heap.oldGen);
// 垃圾回收完成
}
private int findIndexOf(Object obj) {
// 实现省略...
return 0;
}
// 主函数，运行垃圾回收模拟
public static void main(String[] args) {
Heap heap = new Heap(256, 1024); // 创建一个假设的堆
SerialGCSimulator gcSimulator = new SerialGCSimulator();
gcSimulator.runGC(heap); // 执行一次垃圾回收
}
}
三、并行垃圾回收器（Parallel GC）
并行垃圾回收器也称为吞吐量优先回收器，它使用多个线程来缩短垃圾回收的停顿时间。这种回收器特别适合多CPU环境，因为它能够并行利用多个CPU核心完成垃圾回收工作，以提高应用程序的吞吐量。
工作原理
并行GC在不同代区采用的算法如下：
- 年轻代：所有存活对象都会被复制到一个空闲区域，而后清理整个年轻代空间。
- 老年代：采用标记-压缩算法，首先标记所有存活的对象，然后将所有存活的对象向一端移动，并清理掉剩余的空间。
工作流程模拟代码示例
public class ParallelGCSimulator {
// 模拟堆内存结构
private static class Heap {
Object[] youngGen; // 年轻代
Object[] oldGen; // 老年代
public Heap(int youngSize, int oldSize) {
youngGen = new Object[youngSize];
oldGen = new Object[oldSize];
}
// 标记过程
private void mark(Object obj, boolean[] reachable) {
// 省略具体实现，仅模拟标记对象
if (obj != null) {
int index = findIndexOf(obj);
reachable[index] = true;
}
}
// 复制过程
private void copy(boolean[] reachable, Object[] fromSpace, Object[] toSpace) {
int toIndex = 0;
for (int i = 0; i < fromSpace.length; i++) {
if (reachable[i]) {
toSpace[toIndex++] = fromSpace[i]; // 复制可达对象
fromSpace[i] = null; // 清除原位置上的对象引用
}
}
}
// 压缩过程（老年代）
private void compact(Object[] generation) {
// 省略具体实现，仅模拟压缩过程
}
// 运行并行垃圾回收模拟
public void runGC() {
// 年轻代使用标记-复制算法
// 假设知道每个对象是否可达
boolean[] youngReachable = new boolean[youngGen.length];
for (Object obj : youngGen) {
mark(obj, youngReachable);
}
Object[] newYoungGen = new Object[youngGen.length];
copy(youngReachable, youngGen, newYoungGen);
youngGen = newYoungGen;
// 老年代使用标记-压缩算法
boolean[] oldReachable = new boolean[oldGen.length];
for (Object obj : oldGen) {
mark(obj, oldReachable);
}
compact(oldGen);
}
private int findIndexOf(Object obj) {
// 省略具体实现...
return 0;
}
}
public static void main(String[] args) {
Heap heap = new Heap(256, 1024); // 创建一个假设的堆
heap.runGC(); // 执行一次垃圾回收，模拟并行GC工作
}
}
四、并发标记清除垃圾回收器（CMS GC）
CMS垃圾回收器主要目标是获取最短回收停顿时间，通常用于互联网公司或者用户界面较为丰富的应用程序中。CMS回收器试图尽可能减少应用程序的停顿时间，特别是对老年代的垃圾回收进行了优化。
工作原理
CMS GC的工作过程分为以下四个主要阶段：
- 初始标记（Initial Mark）：标记GC Roots能直接关联到的对象。这个阶段需要暂停所有线程（STW），但是非常快速。
- 并发标记（Concurrent Mark）：从GC Roots开始遍历整个对象图，找出所有存活的对象。这个阶段可以并发执行，不需要暂停应用线程。
- 重新标记（Remark）：修正并发标记期间由于程序运行导致的变动。这步是STW的，但通常通过算法优化（如Card Marking）来缩短时间。
- 并发清除（Concurrent Sweep）：清除不再使用的对象。这个阶段可以与应用线程并发执行。
工作流程模拟代码示例
public class CMSimulator {
// 堆内存的简单表示
private Object[] oldGen; // 老年代
// 构造方法
public CMSimulator(int size) {
oldGen = new Object[size];
}
// 初始标记
private void initialMark() {
// STW事件，快速扫描GC Roots直接引用的对象
// 省略实现...
}
// 并发标记
private void concurrentMark() {
// 应用线程可以并发运行
// 遍历对象图，标记所有可达对象
// 省略实现...
}
// 重新标记
private void remark() {
// STW事件，通常使用三色标记和写屏障技术来优化
// 省略实现...
}
// 并发清除
private void concurrentSweep() {
// 应用线程可以并发运行
// 清理未标记（即不可达）的对象
// 省略实现...
}
// 执行CMS垃圾回收
public void runCMS() {
initialMark();
concurrentMark();
remark();
concurrentSweep();
}
public static void main(String[] args) {
CMSimulator cmSimulator = new CMSimulator(1024); // 创建CMS模拟器
cmSimulator.runCMS(); // 开始执行CMS垃圾回收
}
}
五、G1回收器（G1 GC）
G1垃圾回收器是一种服务器端的垃圾回收器，旨在兼顾高吞吐量与低延迟。它通过划分内存为多个相同大小的区域（Region），尝试以增量方式来处理这些区域，从而最大限度减少单次垃圾收集的停顿时间。
工作原理
G1回收器主要分为以下阶段：
- 初始标记（Initial Mark）：此阶段标记所有从GC Roots直接可达的对象。这个阶段是STW的。
- 并发标记（Concurrent Mark）：此阶段G1会遍历堆中的对象图，找出活着的对象。这个阶段应用线程可以并发运行。
- 最终标记（Final Mark）：此阶段处理在并发标记期间变化的对象引用。这个阶段也是STW的，但通常比初始标记快很多。
- 筛选回收（Evacuation）：此阶段G1会复制存活对象到新的区域，同时回收那些只包含垃圾对象的区域。这个阶段同样STW，但是G1会努力控制这个阶段的时间，来达成用户设定的暂停时间目标。
工作流程模拟代码示例
public class G1GCSimulator {
// 模拟Heap的Region划分
private static class Heap {
List<Object[]> regions;
public Heap(int regionCount, int regionSize) {
regions = new ArrayList<>(regionCount);
for (int i = 0; i < regionCount; i++) {
regions.add(new Object[regionSize]);
}
}
// ... 其他Heap操作方法 ...
}
// 标记过程和G1中复杂的回收逻辑在模拟代码中无法完全体现
// 下面是简化的演示过程
// 初始标记
private void initialMark(Heap heap) {
// STW事件，标记直接可达对象
// ... 标记逻辑 ...
}
// 并发标记
private void concurrentMark(Heap heap) {
// 应用线程并发执行，G1遍历对象图
// ... 标记逻辑 ...
}
// 最终标记
private void finalMark(Heap heap) {
// STW事件，处理变化的对象引用
// ... 标记逻辑 ...
}
// 筛选回收
private void evacuation(Heap heap) {
// STW事件，选择部分Region进行回收
for (Object[] region : heap.regions) {
// 假设有一个方法来决定是否需要回收这个Region
if (shouldCollect(region)) {
// 回收并移动对象到其他Region
for (int i = 0; i < region.length; i++) {
if (isMarked(region[i])) {
moveToNewRegion(region[i]);
}
region[i] = null; // 回收对象
}
}
}
}
// 运行G1垃圾回收模拟
public void runGC(Heap heap) {
initialMark(heap); // 初始标记
concurrentMark(heap); // 并发标记
总结
Java的垃圾回收器提供了多种选择，以满足不同应用的性能和延迟需求。理解每种垃圾回收器的工作原理和特点，可以帮助开发者为他们的应用选择最合适的垃圾回收策略，优化应用性能，提升用户体验。
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博主v：XiaoMing_Java
📫作者简介：嗨，大家好，我是 小明 ，互联网大厂后端研发专家，2022博客之星TOP3 / 博客专家 / CSDN后端内容合伙人、InfoQ(极客时间)签约作者、阿里云签约博主、全网 6 万粉丝博主。
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