Java垃圾回收算法与不同垃圾收集器的选择

介绍与背景

大家好，欢迎来到今天的讲座！今天我们要聊的是Java世界里一个非常重要的话题——垃圾回收（Garbage Collection, GC）。对于很多开发者来说，GC可能是一个既熟悉又陌生的概念。熟悉是因为几乎每个Java开发者都听说过它，陌生则是因为它的内部机制和优化选择往往让人感到困惑。

在Java中，内存管理是一项非常重要的任务。我们都知道，Java的一大优势就是自动内存管理，也就是说，开发者不需要像C/C++那样手动管理内存的分配和释放。这一切的背后，都是由垃圾回收器来完成的。但是，垃圾回收并不是“一劳永逸”的事情，不同的应用场景、不同的性能需求，都需要我们对垃圾回收器进行合理的配置和优化。

那么，什么是垃圾回收呢？简单来说，垃圾回收就是Java虚拟机（JVM）自动回收不再使用的对象所占用的内存空间的过程。这个过程看似简单，但实际上涉及到很多复杂的算法和技术。不同的垃圾回收算法有不同的优缺点，适用于不同的场景。而选择合适的垃圾回收器，可以显著提升应用程序的性能和稳定性。

在这次讲座中，我们将深入探讨Java中的几种主要垃圾回收算法，了解它们的工作原理，并通过一些实际的例子来展示如何根据不同的应用场景选择最合适的垃圾收集器。我们会用轻松诙谐的语言，尽量避免过于晦涩的技术术语，让大家能够轻松理解这些概念。同时，我们还会引用一些国外的技术文档，帮助大家更好地掌握这一领域的知识。

接下来，让我们正式进入今天的主题：Java垃圾回收算法与不同垃圾收集器的选择。

Java内存模型与垃圾回收的基本概念

在深入探讨垃圾回收算法之前，我们先来了解一下Java的内存模型以及垃圾回收的基本概念。这将有助于我们更好地理解后续的内容。

1. Java内存模型

Java的内存模型可以分为以下几个区域：

• 堆（Heap）：这是Java程序中最大的一块内存区域，用于存储对象实例。所有的对象都在堆上分配内存，垃圾回收的主要工作也是在这里进行的。

• 栈（Stack）：每个线程都有自己独立的栈，用于存储局部变量、方法调用等信息。栈上的内存是随着方法的调用和返回自动分配和释放的，因此不需要垃圾回收器来管理。

• 方法区（Method Area）：也称为永久代（Permanent Generation）或元空间（Metaspace），用于存储类的元数据、常量池、静态变量等信息。在JDK 8之后，永久代被移除，取而代之的是元空间，后者直接使用本地内存。

• 本地方法栈（Native Method Stack）：用于支持本地方法的调用，类似于Java栈，但主要用于C/C++代码的调用。

• 程序计数器（Program Counter Register）：每个线程都有一个程序计数器，用于记录当前线程执行的字节码指令的位置。

在这五个区域中，垃圾回收主要关注的是堆和方法区。特别是堆，它是垃圾回收的核心区域，因为所有的对象实例都存储在这里。

2. 垃圾回收的基本概念

垃圾回收的目标是回收那些不再被程序使用的对象所占用的内存空间。为了实现这一点，垃圾回收器需要解决两个核心问题：

• 如何判断一个对象是否可以被回收？
• 如何高效地回收这些对象？

2.1 对象的可达性分析

要判断一个对象是否可以被回收，最常用的方法是可达性分析（Reachability Analysis）。JVM会从一组称为“GC Roots”的对象开始，沿着对象之间的引用关系进行遍历。如果一个对象可以通过GC Roots直接或间接访问到，那么它就是“存活”的；否则，它就是“不可达”的，可以被回收。

常见的GC Roots包括：

• 虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）：方法中的局部变量可能会引用对象。
• 本地方法栈：本地方法中的JNI引用。
• 方法区中的类静态属性：类的静态变量可能会引用对象。
• 方法区中的常量引用：如字符串常量池中的对象。

通过这种方式，JVM可以准确地判断哪些对象是可以被回收的。当然，这个过程并不是瞬间完成的，它涉及到一定的开销，这也是为什么我们需要选择合适的垃圾回收算法来优化性能。

2.2 垃圾回收的触发条件

垃圾回收并不是随时都会发生的，它通常会在以下几种情况下被触发：

• 内存不足：当堆中的可用内存不足以分配新的对象时，JVM会触发垃圾回收，以释放更多的内存空间。
• 显式调用System.gc()：虽然不推荐，但开发者可以通过调用System.gc()来请求JVM进行垃圾回收。需要注意的是，这只是一个建议，JVM并不一定会立即执行。
• 定时触发：某些垃圾回收器会在固定的时间间隔内自动触发垃圾回收，以保持系统的稳定性和响应速度。

3. 垃圾回收的类型

根据垃圾回收的行为和频率，我们可以将垃圾回收分为以下几类：

• Minor GC（年轻代垃圾回收）：发生在堆的年轻代（Young Generation）中，回收那些生命周期较短的对象。由于年轻代中的对象大多是短命的，因此Minor GC的频率较高，但每次回收的时间较短。

• Major GC（老年代垃圾回收）：发生在堆的老年代（Old Generation）中，回收那些生命周期较长的对象。Major GC的频率较低，但每次回收的时间较长，因为它需要处理大量的对象。

• Full GC：涉及整个堆的垃圾回收，包括年轻代、老年代和方法区。Full GC通常是由于老年代或方法区的内存不足而触发的，它的开销较大，可能会导致应用程序暂停（Stop-the-World, STW）。

4. 垃圾回收的挑战

尽管垃圾回收为我们省去了手动管理内存的麻烦，但它也带来了一些挑战：

• 暂停时间（Pause Time）：垃圾回收过程中，应用程序可能会暂时停止运行，等待垃圾回收器完成工作。这种暂停时间会影响应用程序的响应速度，尤其是在高并发或实时性要求较高的场景下。

• 吞吐量（Throughput）：垃圾回收的频率和持续时间会直接影响应用程序的吞吐量。频繁的垃圾回收会消耗大量的CPU资源，降低系统的整体性能。

• 内存碎片（Memory Fragmentation）：某些垃圾回收算法可能会导致内存碎片化，即内存中存在大量小块的空闲空间，但无法满足大对象的分配需求。这会导致内存利用率下降，甚至引发内存溢出（OutOfMemoryError）。

为了解决这些问题，Java提供了多种垃圾回收算法和垃圾收集器，每种都有其独特的特点和适用场景。接下来，我们将详细介绍几种常见的垃圾回收算法。

Java垃圾回收算法详解

在Java中，垃圾回收算法是垃圾收集器的核心。不同的算法决定了垃圾回收的效率、暂停时间和内存利用率。接下来，我们将详细介绍几种常见的垃圾回收算法，帮助大家更好地理解它们的工作原理和优缺点。

1. 标记-清除（Mark-Sweep）

标记-清除（Mark-Sweep） 是最早期的垃圾回收算法之一。它的基本思想是分两步进行：

• 标记阶段（Marking Phase）：从GC Roots开始，遍历所有可达的对象，并为每个存活的对象打上标记。
• 清除阶段（Sweeping Phase）：扫描整个堆，回收那些没有被标记的对象所占用的内存空间。

优点：

• 算法简单，易于实现。
• 适用于对象存活率较高的场景，例如老年代。

缺点：

• 内存碎片化：由于回收后的内存空间是不连续的，可能会导致内存碎片化，进而影响大对象的分配。
• 暂停时间较长：标记和清除两个阶段都需要遍历整个堆，因此暂停时间较长，尤其是在堆较大的情况下。

示例代码：

public class MarkSweepExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建大量对象
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Object();
        }

        // 触发Full GC
        System.gc();
    }
}

2. 复制算法（Copying）

复制算法（Copying） 是专门为年轻代设计的垃圾回收算法。它的核心思想是将堆分为两个相等的区域：From Space 和 To Space。每次垃圾回收时，只回收From Space中的对象，并将存活的对象复制到To Space中。然后交换From Space和To Space的角色，继续下一次垃圾回收。

优点：

• 无内存碎片：由于每次回收后，存活的对象都被集中放置在一个区域内，因此不会产生内存碎片。
• 回收速度快：只需要复制存活的对象，而不需要遍历整个堆，因此回收速度非常快。

缺点：

• 内存利用率低：每次垃圾回收后，只有半个堆的空间可以用于对象分配，另一半空间被浪费了。
• 不适合老年代：由于老年代中的对象存活率较高，复制算法会导致大量的复制操作，效率低下。

示例代码：

public class CopyingExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建大量短命对象
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Object();
        }

        // 触发Minor GC
        System.gc();
    }
}

3. 标记-整理（Mark-Compact）

标记-整理（Mark-Compact） 是标记-清除算法的一种改进。它在标记阶段完成后，不是直接清除不可达的对象，而是将所有存活的对象向一端移动，从而消除内存碎片。然后，更新指针，使指针指向新的位置。

优点：

• 无内存碎片：通过整理内存，消除了内存碎片，保证了大对象的顺利分配。
• 适用于老年代：相比于标记-清除算法，标记-整理算法更适合处理老年代中的长寿命对象。

缺点：

• 暂停时间较长：整理内存的过程需要移动大量的对象，并更新指针，因此暂停时间较长。
• 复杂度较高：相比复制算法，标记-整理算法的实现更加复杂，容易出现错误。

示例代码：

public class MarkCompactExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建大量长寿命对象
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            list.add(new Object());
        }

        // 触发Major GC
        System.gc();
    }
}

4. 分代收集（Generational Collection）

分代收集（Generational Collection） 是目前最常用的垃圾回收策略。它基于对象的生命周期特性，将堆分为多个代（Generation），并为每个代选择合适的垃圾回收算法。通常，堆会被分为以下几部分：

• 年轻代（Young Generation）：用于存储新创建的对象。年轻代又被进一步分为Eden区、Survivor 0区和Survivor 1区。大多数对象在Eden区中创建，经过几次Minor GC后，仍然存活的对象会被移动到老年代。

• 老年代（Old Generation）：用于存储生命周期较长的对象。老年代中的对象通常不会频繁进行垃圾回收，只有在内存不足时才会触发Major GC。

• 永久代/元空间（Permanent Generation/Metaspace）：用于存储类的元数据、常量池等信息。在JDK 8之前，永久代是堆的一部分；JDK 8之后，永久代被移除，取而代之的是元空间，后者直接使用本地内存。

优点：

• 提高回收效率：年轻代中的对象大多短命，适合使用复制算法进行快速回收；老年代中的对象长寿命，适合使用标记-整理算法进行高效回收。
• 减少全堆扫描：通过分代收集，JVM可以在大多数情况下只扫描年轻代，从而减少了全堆扫描的频率和开销。

缺点：

• 复杂度较高：分代收集的实现较为复杂，涉及到多个代之间的交互和协调。
• 内存分配策略复杂：需要合理设置各个代的大小，以避免频繁的垃圾回收或内存溢出。

示例代码：

public class GenerationalCollectionExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建大量短命对象
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Object();
        }

        // 创建少量长寿命对象
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            list.add(new Object());
        }

        // 触发Minor GC和Major GC
        System.gc();
    }
}

5. 并行与并发垃圾回收

传统的垃圾回收算法通常会导致应用程序暂停（Stop-the-World, STW），即在垃圾回收期间，应用程序的所有线程都会被暂停，直到垃圾回收完成。这对于实时性要求较高的应用来说是不可接受的。为了解决这个问题，Java引入了并行（Parallel）和并发（Concurrent）垃圾回收算法。

• 并行垃圾回收：并行垃圾回收是指在同一时刻使用多个线程并行执行垃圾回收任务。这样可以加快垃圾回收的速度，缩短暂停时间。例如，Parallel Scavenge 收集器就是一个典型的并行垃圾回收器，它可以在多核处理器上充分利用硬件资源，提高垃圾回收的效率。

• 并发垃圾回收：并发垃圾回收是指垃圾回收器与应用程序线程并发执行，即在垃圾回收的过程中，应用程序线程仍然可以继续运行。这样可以减少应用程序的暂停时间，提高系统的响应速度。例如，CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器就是一个典型的并发垃圾回收器，它可以在应用程序运行的同时进行垃圾回收，从而减少STW的时间。

并行与并发垃圾回收的比较：

特性	并行垃圾回收	并发垃圾回收
暂停时间	较短，但仍然会有STW	较长，但STW时间更短
吞吐量	高，适合批处理应用	较低，适合实时性要求较高的应用
内存占用	较低	较高，需要额外的内存用于并发操作
适用场景	批处理、后台任务等	Web应用、在线游戏等

示例代码：

public class ParallelAndConcurrentGCExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用并行垃圾回收器
        System.setProperty("java.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism", "4");

        // 创建大量对象
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Object();
        }

        // 触发并行垃圾回收
        System.gc();

        // 使用并发垃圾回收器
        System.setProperty("java.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism", "4");
        System.setProperty("UseConcMarkSweepGC", "true");

        // 创建大量对象
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Object();
        }

        // 触发并发垃圾回收
        System.gc();
    }
}

不同垃圾收集器的选择

在了解了各种垃圾回收算法之后，接下来我们来看看Java中几种常见的垃圾收集器。每种收集器都有其独特的特点和适用场景，选择合适的垃圾收集器可以显著提升应用程序的性能和稳定性。

1. Serial收集器

Serial收集器 是最早的垃圾收集器之一，也是JVM默认的单线程垃圾收集器。它采用的是标记-清除算法，适用于单核处理器或小型应用。由于它是单线程的，因此在垃圾回收期间，应用程序会完全暂停（STW）。

优点：

• 简单易用：Serial收集器的实现非常简单，适用于小型应用或嵌入式设备。
• 低资源消耗：由于它是单线程的，因此对CPU和内存的消耗较少。

缺点：

• 暂停时间较长：在多核处理器上，Serial收集器的性能较差，尤其是当堆较大时，暂停时间会显著增加。
• 不适合高并发应用：由于它是单线程的，因此不适合处理高并发的应用场景。

适用场景：

• 小型应用、嵌入式设备、单核处理器等。

2. Parallel收集器

Parallel收集器 是Serial收集器的多线程版本，也称为吞吐量优先收集器。它采用了并行垃圾回收算法，可以在多核处理器上充分利用硬件资源，提高垃圾回收的效率。Parallel收集器分为两种：

• Parallel Scavenge：用于年轻代的垃圾回收，采用复制算法。
• Parallel Old：用于老年代的垃圾回收，采用标记-整理算法。

优点：

• 高吞吐量：Parallel收集器可以在多核处理器上并行执行垃圾回收任务，显著提高吞吐量。
• 适合批处理应用：由于它注重吞吐量而非响应时间，因此非常适合批处理、后台任务等对响应时间要求不高的应用。

缺点：

• 暂停时间较长：尽管Parallel收集器可以提高吞吐量，但在垃圾回收期间，应用程序仍然会完全暂停（STW），并且暂停时间可能较长。
• 不适合实时性要求较高的应用：由于STW时间较长，Parallel收集器不适合处理实时性要求较高的应用场景。

适用场景：

• 批处理应用、后台任务、对响应时间要求不高的应用等。

3. CMS收集器

CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器 是一种并发垃圾收集器，旨在减少应用程序的暂停时间。它采用了标记-清除算法，并且可以在应用程序运行的同时进行垃圾回收。CMS收集器分为四个阶段：

• 初始标记（Initial Mark）：标记GC Roots直接引用的对象，需要暂停应用程序。
• 并发标记（Concurrent Mark）：从GC Roots开始，遍历所有可达的对象，标记存活的对象。此阶段可以与应用程序并发执行。
• 重新标记（Remark）：修正并发标记期间发生变化的对象引用，需要暂停应用程序。
• 并发清除（Concurrent Sweep）：回收不可达的对象，此阶段可以与应用程序并发执行。

优点：

• 低暂停时间：由于大部分垃圾回收工作是在应用程序运行的同时进行的，因此CMS收集器可以显著减少STW时间，提高系统的响应速度。
• 适合实时性要求较高的应用：由于暂停时间较短，CMS收集器非常适合处理Web应用、在线游戏等对响应时间要求较高的场景。

缺点：

• 吞吐量较低：由于并发垃圾回收会占用一部分CPU资源，因此CMS收集器的吞吐量相对较低。
• 内存碎片化：CMS收集器采用标记-清除算法，可能会导致内存碎片化，进而影响大对象的分配。
• Full GC风险：如果老年代的内存不足，CMS收集器可能会触发Full GC，导致长时间的STW。

适用场景：

• Web应用、在线游戏、实时性要求较高的应用等。

4. G1收集器

G1（Garbage First）收集器 是一种分区垃圾收集器，旨在同时兼顾高吞吐量和低暂停时间。G1收集器将堆划分为多个大小相等的区域（Region），并在垃圾回收时优先回收那些垃圾较多的区域。G1收集器采用了标记-整理算法，并且可以在应用程序运行的同时进行垃圾回收。

优点：

• 高吞吐量和低暂停时间：G1收集器可以在多核处理器上并行执行垃圾回收任务，同时通过分区回收的方式减少STW时间，兼顾了高吞吐量和低暂停时间。
• 无内存碎片：G1收集器采用标记-整理算法，消除了内存碎片，保证了大对象的顺利分配。
• 灵活的垃圾回收策略：G1收集器可以根据应用程序的需求，动态调整垃圾回收的频率和强度，以达到最佳的性能。

缺点：

• 复杂度较高：G1收集器的实现较为复杂，配置和调优难度较大。
• 内存占用较高：由于G1收集器需要维护额外的元数据，因此内存占用相对较高。

适用场景：

• 大规模应用、高并发应用、对响应时间要求较高的应用等。

5. ZGC收集器

ZGC（Z Garbage Collector）收集器 是JDK 11引入的一种新型垃圾收集器，旨在实现极低的暂停时间（通常不超过10ms）。ZGC收集器采用了染色指针（Colored Pointer） 和Load Barrier 技术，可以在应用程序运行的同时进行垃圾回收，而无需暂停应用程序。ZGC收集器适用于超大型堆（数十GB甚至数百GB），并且可以在不影响应用程序性能的情况下进行高效的垃圾回收。

优点：

• 极低的暂停时间：ZGC收集器的暂停时间通常不超过10ms，非常适合处理对响应时间要求极高的应用场景。
• 支持超大型堆：ZGC收集器可以处理数十GB甚至数百GB的堆，适用于大规模应用。
• 高吞吐量：ZGC收集器可以在多核处理器上并行执行垃圾回收任务，显著提高吞吐量。

缺点：

• 实验性：ZGC收集器是JDK 11引入的实验性功能，尚未广泛应用于生产环境。
• 内存占用较高：由于ZGC收集器需要维护额外的元数据，因此内存占用相对较高。

适用场景：

• 超大型应用、对响应时间要求极高的应用等。

6. Shenandoah收集器

Shenandoah收集器 是另一种低暂停时间的垃圾收集器，旨在实现与ZGC类似的性能。Shenandoah收集器采用了前向指针（Forwarding Pointer） 和Load Barrier 技术，可以在应用程序运行的同时进行垃圾回收，而无需暂停应用程序。Shenandoah收集器适用于超大型堆，并且可以在不影响应用程序性能的情况下进行高效的垃圾回收。

优点：

• 极低的暂停时间：Shenandoah收集器的暂停时间通常不超过10ms，非常适合处理对响应时间要求极高的应用场景。
• 支持超大型堆：Shenandoah收集器可以处理数十GB甚至数百GB的堆，适用于大规模应用。
• 高吞吐量：Shenandoah收集器可以在多核处理器上并行执行垃圾回收任务，显著提高吞吐量。

缺点：

• 实验性：Shenandoah收集器是JDK 12引入的实验性功能，尚未广泛应用于生产环境。
• 内存占用较高：由于Shenandoah收集器需要维护额外的元数据，因此内存占用相对较高。

适用场景：

• 超大型应用、对响应时间要求极高的应用等。

总结与建议

通过今天的讲座，我们深入了解了Java中的几种常见垃圾回收算法和垃圾收集器。每种算法和收集器都有其独特的特点和适用场景，选择合适的垃圾收集器可以显著提升应用程序的性能和稳定性。

• 如果你正在开发一个小型应用或嵌入式设备，Serial收集器 可能是一个不错的选择，因为它简单易用，资源消耗较低。
• 如果你正在开发一个批处理应用或后台任务，Parallel收集器 可以提供更高的吞吐量，适合处理大规模数据。
• 如果你正在开发一个Web应用或在线游戏，CMS收集器 可以显著减少暂停时间，提高系统的响应速度。
• 如果你正在开发一个大规模应用或高并发应用，G1收集器 可以兼顾高吞吐量和低暂停时间，适合处理复杂的业务逻辑。
• 如果你正在开发一个对响应时间要求极高的应用，ZGC 或 Shenandoah收集器 可以提供极低的暂停时间，适合处理超大型堆。

当然，选择合适的垃圾收集器并不是一件容易的事情，它需要根据具体的应用场景、硬件资源和性能需求进行权衡。希望今天的讲座能够帮助大家更好地理解和选择适合自己的垃圾收集器，提升应用程序的性能和稳定性。

谢谢大家的聆听！如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言，我们下次再见！