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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?

【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?

目录

本文导读

一、垃圾回收器概览

Serial GC工作原理概览

Parallel GC工作原理概览

CMS回收器工作原理概览

G1回收器工作原理概览

2、选择适合的垃圾回收器

二、串行垃圾回收器(Serial GC)

工作原理

工作流程模拟代码示例:

三、并行垃圾回收器(Parallel GC)

工作原理

工作流程模拟代码示例

四、并发标记清除垃圾回收器(CMS GC)

工作原理

工作流程模拟代码示例

五、G1回收器(G1 GC)

工作原理

工作流程模拟代码示例

总结

 博主v:XiaoMing_Java


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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