暗夜零星
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JVM垃圾回收器

Eddie Eddie 收录于 性能调优 和 JVM速览
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一、基础核心概念

1.1 JVM内存模型

JVM 运行时数据区划分两大板块：线程私有区域、线程共享区域；其中只有堆和方法区会发生GC，其余区域线程消亡自动释放。

线程私有区域

  • 程序计数器：当前线程执行的字节码行号，无GC、无OOM，JVM唯一无内存溢出的区域。

  • 虚拟机栈：方法执行的数据结构，存储栈帧；栈帧包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址；线程退出后栈内存自动释放。

  • 本地方法栈：结构与虚拟机栈一致，专门服务于Native本地方法。

线程共享区域

  • 堆（Heap）：所有对象实例、数组分配区域，GC主战场；元空间不属于堆内存。

    • 分代模型：新生代（Eden、2块Survivor）、老年代。

    • 对象分配规则：优先Eden分配、TLAB线程私有缓冲区分配、逃逸分析栈上分配、大对象直接进入老年代、长期存活对象晋升老年代。

  • 方法区（Method Area）：存储类元信息、运行时常量池、静态变量、即时编译代码。

    • 元空间（Metaspace）：JDK8 彻底替代永久代，使用操作系统本地内存，默认无内存上限，解决永久代OOM问题；可通过 -XX:MaxMetaspaceSize 手动限制大小。

对象生命周期

  • 分配：new 对象优先存入Eden区，超大对象直接进入老年代。

  • 存活：通过可达性分析判断，GC Roots可达则判定存活。

  • 回收：不可达对象，经标记、清理、压缩后释放内存。

1.2 可达性分析与GC Roots

主流JVM采用可达性分析算法判定对象存活，摒弃传统引用计数法（解决循环引用无法回收问题）。

GC Roots存活根对象（面试必背）

  • 虚拟机栈：栈帧中局部变量表引用的对象。

  • 方法区：静态变量、常量池引用的对象。

  • 本地方法栈：JNI本地方法引用的对象。

  • 同步锁：Synchronized 持有的锁对象。

  • 虚拟机内部：Class对象、异常对象、系统内置引用。

四种引用类型（强度从高到低）

  • 强引用：Object obj = new Object();，只要引用存在，永不回收，默认引用。

  • 软引用（SoftReference）：内存充足不回收，内存溢出前强制回收，适合做缓存。

  • 弱引用（WeakReference）：只要发生GC，无论内存是否充足都会回收，典型应用：ThreadLocalMap。

  • 虚引用（PhantomReference）：无引用能力，仅用于跟踪对象回收状态，配合引用队列使用。

二、垃圾回收算法

2.1 基础算法

标记-清除（Mark-Sweep）

  • 流程：遍历标记存活对象，统一清除未标记垃圾对象。

  • 优点：算法简单、无需移动对象。

  • 缺点：产生大量内存碎片，分配大对象容易OOM；扫描效率低。

标记-整理（Mark-Compact）

  • 流程：标记存活对象，将存活对象向内存一端平移压缩，清空边界以外垃圾。

  • 优点：无内存碎片，内存空间规整。

  • 缺点：移动对象成本高、效率低，适合存活率高的老年代。

复制（Copying）

  • 流程：将内存划分为两块同等大小区域，只使用其中一块；GC时将存活对象复制到空闲区域，清空原区域。

  • 优点：无碎片、复制效率高，无需复杂标记计算。

  • 缺点：内存利用率仅有50%，浪费空间；适合存活率极低的新生代。

2.2 分代收集理论

依据对象存活周期差异化回收，不同年代适配不同算法，是现代GC核心思想。

  • 新生代（Young Gen）：对象朝生夕死、存活率极低，采用复制算法；代表收集器：Parallel Scavenge、G1。

  • 老年代（Old Gen）：对象存活时间长、存活率高，采用标记-清除/标记-整理；代表收集器：Parallel Old、CMS、G1。

  • 元空间：存储类元数据，回收频率极低，仅卸载无用类、释放无用类加载器。

补充：对象晋升规则

  • 年龄晋升：默认存活15次MinorGC晋升老年代（对象头4bit存储分代年龄，最大值15）。

  • 动态年龄判断：Survivor区相同年龄对象总和超过50%，大于等于该年龄对象直接晋升。

三、主流垃圾收集器

3.1 G1垃圾收集器（Garbage-First）

JDK9 默认收集器，面向大内存、低延迟设计，兼顾吞吐量与停顿时间。

核心特性

  • 分区（Region）：将堆划分为固定大小Region（1MB~32MB），逻辑分代、物理不分代；包含Eden、Survivor、Old、Humongous巨型分区。

  • 可预测停顿：通过 -XX:MaxGCPauseMillis 自定义最大停顿时间，可控STW。

  • Remembered Set（RS）：基于卡表（Card Table）实现，记录跨代引用，避免MinorGC全局扫描老年代。

  • 并发标记：业务线程与GC线程并发执行，减少STW耗时。

垃圾回收流程

G1 只有两类GC：YoungGC、MixedGC；并发标记为MixedGC前置准备阶段。

  1. Young GC（STW）

    • 根扫描：快速扫描GC Roots；

    • 更新RS：处理脏卡队列，刷新跨代引用；

    • 对象复制：存活对象转移至Survivor区，达标对象晋升老年代；

    • 清空Eden：回收全部Eden分区内存。

  2. 并发标记周期（MixedGC前置）

    • 初始标记（STW）：标记GC Roots直接可达对象，耗时极短；

    • 根区域扫描（并发）：扫描Survivor区引用的老年代对象；

    • 并发标记：GC线程遍历对象图，标记全部存活对象；

    • 重新标记（STW）：修正并发期间引用变更，采用SATB算法；

    • 筛选清理（STW）：统计Region垃圾占比，筛选高垃圾分区。

  3. Mixed GC（STW）

    • 分区筛选：根据停顿时间目标，选取新生代+垃圾最多的老年代Region；

    • 复制回收：迁移存活对象，批量释放选中分区内存。

关键机制

  • SATB（快照起始算法）：标记开始瞬间保存对象引用快照，解决并发标记过程中对象消失导致的漏标问题。

  • 巨型对象（Humongous）：占用空间超过1/2 Region的对象，单独分配专属分区，避免复制开销；默认不回收，MixedGC统一清理。

  • 卡表（Card Table）：堆内存划分512B卡片，记录引用变更，是Remembered Set的底层实现。

3.2 ZGC垃圾收集器（Z Garbage Collector）

JDK11实验特性、JDK15正式发布、JDK21默认开启分代ZGC；面向超大堆、亚毫秒级低延迟设计。

核心特性

  • 亚毫秒级停顿：停顿时间不随堆内存增大而变长，标准停顿时间 <10ms。

  • 染色指针（Colored Pointers）：复用64位指针高位，存储标记、重定位状态，无需额外内存存储元数据。

  • 读屏障（Load Barrier）：访问对象时触发拦截，处理引用修正、对象迁移，无写屏障开销。

  • 逻辑不分代：JDK21前无物理分代，JDK21+分代优化，针对性回收短期存活小对象。

垃圾回收流程

  1. 标记阶段

    • 初始标记（STW）：仅标记GC Roots直接引用对象，耗时与堆大小无关；

    • 并发标记：遍历对象图，读屏障拦截并发修改，标记存活对象；

    • 再标记（STW）：短暂修正并发期间引用变化，耗时通常＜1ms。

  2. 重定位阶段

    • 并发准备重定位：筛选垃圾率高的内存页，组成重分配集；

    • 初始重定位（STW）：优先迁移GC Roots引用对象；

    • 并发重定位（核心）：GC线程+业务线程协同迁移对象；业务线程访问旧对象时，读屏障自动迁移对象、修正指针，实现自愈；

    • 并发清理：对象迁移完成，原内存页立即释放归还系统。

  3. 延迟重映射：遗留旧指针不立即修正，延迟至下一轮GC并发标记阶段处理，降低单次停顿压力。

关键机制

  • 染色指针状态
指针高位 含义
00 Marked0
01 Marked1
10 Remapped
  • 读屏障伪代码
1
2
3
4
5

// 访问对象时自动触发读屏障
Object obj = field; 
if (isMarked(obj)) {
  obj = relocate(obj); // 迁移对象并重定向指针
}

四、性能调优与故障排查

4.1 调优目标

  • 低延迟：ZGC、Shenandoah、G1(MixedGC)，适用于互联网高并发业务。

  • 高吞吐量：Parallel GC，适用于离线批处理、大数据计算。

  • 低内存占用：合理设置堆区间、规避内存泄漏、优化对象存活率。

4.2 关键参数

G1 核心参数 

1
2
3

-XX:MaxGCPauseMillis=200ms # 最大目标停顿时间
-XX:G1HeapRegionSize=4M # 单个Region分区大小
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 # 老年代占用45%触发并发标记

ZGC 核心参数 

1
2
3

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions # 低版本启用ZGC
-XX:MaxGCPauseMillis=10ms # 亚毫秒级停顿目标
-XX:+UseZGC # 显式启用ZGC

4.3 故障排查工具

  • jstat -gcutil &lt;pid&gt;：实时查看GC次数、内存占用、GC耗时。

  • jmap -dump:live,format=b,file=heap.bin &lt;pid&gt;：生成堆转储快照，分析内存对象。

  • jstack &lt;pid&gt;：导出线程栈，排查死锁、线程阻塞。

  • -Xlog:gc*：打印详细GC日志，示例：-Xlog:gc*:file=gc.log:utctime,level=debug。

  • 可视化工具：JVisualVM、MAT（堆内存分析）、GCEasy（GC日志分析）。

4.4 常见问题与解决方案

Full GC频繁（高频考点）

  • 老年代空间不足：调大堆内存、优化大对象生成逻辑。

  • 元空间溢出：调整 -XX:MaxMetaspaceSize，排查动态生成类。

  • 直接内存泄漏：限制 -XX:MaxDirectMemorySize，排查NIO堆外内存。

  • 额外诱因：晋升失败、空间担保失败、手动调用 System.gc()。

CPU使用率高

  • G1混合GC过多：适当调大停顿时间，减少MixedGC触发频率。

  • ZGC重定位压力大：排查高频创建短期大对象，优化业务代码。

内存泄漏

通过MAT分析堆转储文件，定位大对象、静态集合常驻对象、循环引用对象。

五、前沿技术与未来趋势

  • Shenandoah：低延迟收集器，采用Brooks Pointer转发指针实现并发压缩，停顿时间与堆大小无关；劣势：吞吐量偏低。

  • Epsilon GC：无操作GC，不执行垃圾回收；用于性能测试、短生命周期微任务。

  • 分代ZGC：JDK21正式默认，区分新生代、老年代，优化小对象回收效率，降低GC开销。

  • Loom项目：虚拟线程，轻量化用户线程，降低线程创建与切换开销，优化GC线程调度模型。

六、最佳实践与总结

收集器选择标准（企业实战选型）

业务场景 推荐收集器 选型理由
堆 < 4GB、离线任务 Parallel GC 高吞吐量、实现简单、资源占用低
堆 4GB~32GB、通用业务 G1 平衡延迟与吞吐量，可控停顿时间
堆 > 32GB、高并发低延迟 ZGC / Shenandoah 亚毫秒级停顿，适配超大堆、实时业务

调优原则

  1. 先监控，后调优：基于GC日志、监控指标定位问题，禁止盲目改参数。

  2. 避免过早优化：优先优化业务代码、减少无效对象创建，再调整JVM参数。

  3. 关注核心指标：吞吐量、STW延迟、内存使用率、GC触发频率。

架构师决策点

  • 业务评估：区分实时联机业务（低延迟）、离线批处理业务（高吞吐）。

  • 容量规划：预估业务峰值，预留堆内存冗余，避免内存溢出。

  • 持续监控：接入APM工具（Prometheus+Grafana），实时监控GC指标，动态调优。

收录于 合集・JVM速览 4
更新于 2025-05-04 
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