【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？

【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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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