05-垃圾收集器 | FHCY-Study

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1️⃣ Serial收集器

XX:+UseSerialGC：启用 Serial 收集器（年轻代 + 老年代）。

XX:+UseSerialOldGC：仅启用 Serial Old（老年代）。

单线程：无论是 Minor GC 还是 Full GC，均使用单线程。

Stop-The-World：GC 期间会暂停所有用户线程。

适用场景：适合单核/小内存环境，如嵌入式设备或客户端应用。

年轻代使用 Serial/复制算法（Copying）

老年代使用 Serial Old/标记-压缩算法（Mark-Compact）

适用场景:

嵌入式系统、移动设备等 低内存、小型 CPU 设备

单线程应用（客户端、工具类程序）

JVM 调试/教学/测试场景（GC 行为易于预测和分析）

优点	说明
✅ 无碎片	存活对象被压缩，剩余内存是连续的，分配效率高
✅ 适用于老年代	无需大量额外空间（如复制算法）
✅ 实现相对简单	相对 CMS 等并发算法更易维护

缺点	说明
❌ 全程 STW	必须暂停所有应用线程执行
❌ 对象移动成本高	需要复制对象、更新引用地址
❌ 吞吐量下降	在大堆时，GC 耗时明显（Full GC）

2️⃣ Parallel Scavenge收集器

XX:+UseParallelGC：开启年轻代的 Parallel Scavenge。

XX:+UseParallelOldGC：开启老年代的 Parallel Old。

UseParallelGC 既代表年轻代 Parallel Scavenge，又默认启用老年代 Parallel Old（如果没有指定其他老年代收集器）。

多线程：年轻代和老年代 GC 都使用多线程，提升吞吐量。

目标是高吞吐量（Throughput），即最大限度减少应用执行时间相对于 GC 时间的占比。

支持自动调节（可设置 XX:+UseAdaptiveSizePolicy）。

适用场景：适合对吞吐量要求高、不追求低延迟的后台批处理系统。

年轻代（Parallel Scavenge）：

使用复制算法（Copying）。

将 Eden 和一个 Survivor 区的存活对象复制到另一个 Survivor 区，或晋升到老年代。

GC 动作为多线程 + Stop-The-World（STW）。

可以使用多个 GC 线程并行处理对象复制和清理。

老年代（Parallel Old）：

使用标记-压缩（Mark-Compact）算法。

也是多线程 STW。

通常用于 Full GC。

优点	说明
✅ 吞吐量高	使用多线程并行 GC，适合 CPU 多核环境
✅ 支持自适应调节	能自动调节堆参数和 GC 行为（对开发者友好）
✅ 实现成熟稳定	JVM 中被广泛使用多年

缺点	说明
❌ Stop-The-World	所有 GC 阶段均为 STW，不适合低延迟应用
❌ 无法并发 GC	不支持与应用线程并发收集老年代（对比 CMS、G1）
❌ 停顿时间可能不可控	虽支持 `MaxGCPauseMillis`，但为目标不是强保证

Parallel Scavenge收集器和Serial收集器对比

属性	Serial 收集器	Parallel Scavenge 收集器
收集代	年轻代	年轻代（默认）
默认老年代收集器	Serial Old	Parallel Old
使用算法	复制算法（Copying）	复制算法（Copying）
是否并行	❌ 单线程	✅ 多线程
是否并发	❌ 全部 STW	❌ 全部 STW
启动参数	`-XX:+UseSerialGC`	`-XX:+UseParallelGC`（老年代自动是 Parallel Old）

3️⃣ ParNew收集器

XX:+UseParNewGC：启用年轻代的 ParNew 收集器。

ParNew（Parallel New） 是一种多线程的年轻代垃圾收集器，它可以看作是 Serial 收集器的多线程版本。

主要与 CMS（Concurrent Mark-Sweep）老年代收集器配合使用。

是 CMS 唯一支持的多线程年轻代收集器（Parallel Scavenge 与 CMS 不兼容）。

多线程的 Serial 收集器变种：用于配合 CMS。

如果启用了 CMS，ParNew 是其默认的年轻代收集器。

适用场景：主要配合 CMS 使用，不推荐单独使用。

无法与 Parallel Old 搭配，ParNew 与 CMS 是一对绑定。

若指定 XX:+UseConcMarkSweepGC 而未指定年轻代收集器，JVM 会自动选择 ParNew。

默认 GC 线程数为 CPU 核数，但可通过 XX:ParallelGCThreads=N 指定。

年轻代（复制算法）

使用复制算法（Copying）：

存活对象从 Eden + from Survivor 区复制到 to Survivor 区；
年龄达到阈值或 Survivor 区放不下的对象晋升到老年代。

多线程执行（由 XX:ParallelGCThreads 控制线程数）。

GC 过程是 Stop-The-World（STW）。

Serial、Parallel Scavenge、ParNew对比

特性	Serial	Parallel Scavenge	ParNew
所属代	年轻代	年轻代	年轻代
默认老年代收集器	Serial Old	Parallel Old	CMS（可配）
是否多线程	❌ 否（单线程）	✅ 是（多线程）	✅ 是（多线程）
是否并发执行	❌ 否（全部 STW）	❌ 否（全部 STW）	❌ 否（全部 STW）
停顿时间控制	❌ 较差	❌ 一般，目标是吞吐而非延迟	✅ 优（与 CMS 组合可实现低 STW 时间）
资源消耗低	✅ 非常低	❌ 较高（需多个线程）	❌ 较高（需多个线程）
吞吐率	❌ 较低	✅ 高（支持自适应策略）	❌ 一般
与 CMS 兼容	❌ 否	❌ 否	✅ 是（唯一支持与 CMS 协作的年轻代收集器）
使用算法	复制（Copying）	复制（Copying）	复制（Copying）
默认启用方式	`-XX:+UseSerialGC`	`-XX:+UseParallelGC`	`-XX:+UseParNewGC`

优点	说明
✅ 支持多线程 GC	相较于单线程的 Serial 收集器，ParNew 能充分利用多核 CPU 并行执行 Minor GC，GC 性能更高。
✅ 与 CMS 完美兼容	是唯一能与 CMS 老年代配合使用的年轻代收集器。CMS 是低延迟收集器，对年轻代的选择非常依赖 ParNew。
✅ 稳定可靠	ParNew 是 HotSpot 中非常成熟的组件，在 Java 8/11 等版本长期使用，表现稳定。
✅ 暂停时间较短（对比 Serial）	多线程 GC 能显著减少 Minor GC 的 STW 时间，提升系统响应速度。
✅ 易于使用	一般情况下只需 `-XX:+UseParNewGC` 搭配 CMS 即可生效，无需复杂调优。

缺点	说明
❌ 吞吐量不如 Parallel Scavenge	ParNew 的 GC 线程调度和资源使用策略更保守，不如 Parallel Scavenge 在 CPU 使用率和总体吞吐上激进。
❌ 仅适用于 CMS	与 CMS 强绑定，无法与 G1、ZGC、Parallel Old 等老年代收集器兼容，限制了组合自由度。
❌ 老年代晋升失败会触发 Full GC（STW）	和 CMS 配合使用时，若 Survivor 区放不下、老年代空间不足，会触发 STW 的 Serial Old Full GC，影响响应时间。
❌ 线程间负载不均问题	GC 线程间的对象分配和复制可能存在负载不均，影响回收效率（尤其在极高线程数下）。
❌ 已经被更现代的收集器取代	在 JDK 11+ 版本中，G1、ZGC、Shenandoah 等现代收集器普遍替代了 ParNew + CMS 的组合，支持更强并发、更低延迟和更好调优能力。

4️⃣ CMS收集器

-XX:+UseConcMarkSweepGC：启用 CMS（用于老年代）。

CMS（Concurrent Mark-Sweep） 是一种以最小化 GC 停顿时间为目标的 老年代垃圾收集器。

它的设计目标是：最短的停顿时间，适用于对响应时间敏感的系统（如 Web 服务、金融系统）。

并发收集：与应用线程并发执行，降低停顿时间。

使用 ParNew 作为年轻代默认收集器。

优点：低延迟，适用于对响应时间敏感的应用（如 Web 应用）。

缺点：

使用更多 CPU 资源。
会产生内存碎片。
CMS 最后阶段仍会 Stop-The-World。
已在 JDK 9 中标记为 deprecated，JDK 14 中移除。

CMS 在 Java 8 中仍为常用方案（G1 在 8 中不够成熟）。

工作原理

CMS 使用的是 “标记-清除”（Mark-Sweep）算法，与传统“标记-整理”或“标记-压缩”不同。整个 GC 流程分为以下几个阶段：

阶段	是否 STW	描述
1️⃣ 初始标记（Initial Mark）	✅ STW	标记 GC Root 能直接引用的对象，耗时很短。
2️⃣ 并发标记（Concurrent Mark）	❌ 并发	程序继续执行的同时进行完整对象图的扫描。
3️⃣ 预清理（Preclean）	❌ 并发	处理并发标记过程中发生的小部分引用变动。
4️⃣ 重新标记（Remark）	✅ STW	修正并发标记期间发生引用变动导致的遗漏。GC 停顿时间略长。
5️⃣ 并发清除（Concurrent Sweep）	❌ 并发	回收垃圾对象所占空间。
6️⃣ 重置（Reset）	❌ 并发	重置内部数据结构，准备下一次 GC。

优点	说明
✅ 低延迟，响应快	以最小化停顿为设计目标，适用于对响应时间敏感的系统。
✅ 并发收集，减少停顿	多个阶段与用户线程并发执行，降低 GC 对业务线程的影响。
✅ 成熟稳定	历史悠久，Java 8 之前是最常用的低停顿收集器。
✅ 与 ParNew 配合	年轻代使用 ParNew 并行回收，整体并发能力较好。

缺点	描述
❌ 无法压缩（内存碎片）	标记-清除算法不整理空间，长期运行后会产生老年代碎片，导致 Full GC 频繁或分配失败。
❌ 对 CPU 敏感	并发阶段与用户线程竞争 CPU，可能影响吞吐或应用性能。
❌ 停顿时间仍不可忽视	重新标记阶段仍是 STW，若对象数量多，可能造成明显延迟。
❌ 并发失败会降级为 Serial Old（STW Full GC）	如果在并发阶段来不及完成清理或内存不足，会触发单线程 Serial Old Full GC，产生长时间停顿。
❌ 已被废弃	从 JDK 14 起 CMS 被移除，推荐使用 G1 或 ZGC 替代。

与其他老年代收集器对比

特性	Serial Old	CMS	Parallel Old	G1
是否并行	❌（单线程）	并行 ParNew，老年代并发	✅（多线程）	✅（分区并发）
是否并发	❌	✅（部分并发）	❌	✅（整体并发）
是否压缩	✅（标记整理）	❌（不压缩）	✅（标记压缩）	✅（部分压缩）
停顿时间控制	差	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐	⭐⭐⭐⭐
吞吐量	⭐⭐	⭐⭐	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐

5️⃣ 收集器搭配