Java垃圾回收器的选择与配置

Java垃圾回收器的概述

在Java程序运行过程中，会不断地创建对象并占用内存空间。当这些对象不再被使用时，需要一种机制来回收其所占用的内存，以便为新的对象分配空间，这就是垃圾回收（Garbage Collection，GC）机制。垃圾回收器是Java虚拟机（JVM）的重要组成部分，负责自动管理内存，减轻了开发者手动管理内存的负担，降低了内存泄漏和悬空指针等问题的发生概率。

Java中有多种垃圾回收器可供选择，每种垃圾回收器都有其特点和适用场景。不同的垃圾回收器在性能、内存占用、停顿时间等方面表现各异。常见的垃圾回收器包括Serial、Parallel、CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage - First）以及最新的ZGC等。

垃圾回收算法基础

在深入了解垃圾回收器之前，先回顾一下常见的垃圾回收算法。

标记 - 清除算法（Mark - Sweep）
- 原理：该算法分为两个阶段，标记阶段和清除阶段。在标记阶段，垃圾回收器从根对象（如栈中的局部变量、静态变量等）开始遍历，标记所有可达的对象。然后在清除阶段，回收所有未被标记的对象，即垃圾对象，释放其占用的内存空间。
- 缺点：标记 - 清除算法会产生内存碎片。由于回收的内存空间是不连续的，当需要分配较大对象时，可能无法找到足够连续的内存空间，从而导致提前触发垃圾回收，影响程序性能。
复制算法（Copying）
- 原理：将内存空间划分为两块相等的区域，每次只使用其中一块。当这块区域内存满时，将存活的对象复制到另一块区域，然后清除原来区域的所有对象。
- 优点：不会产生内存碎片，而且回收速度快，因为只需要复制存活对象。
- 缺点：内存利用率低，因为始终有一半的内存空间处于闲置状态。同时，复制对象也需要消耗一定的性能。
标记 - 整理算法（Mark - Compact）
- 原理：标记 - 整理算法也是分为标记阶段和整理阶段。在标记阶段，同样标记所有可达对象。在整理阶段，将所有存活对象向内存空间的一端移动，然后直接清除边界以外的内存空间，这样就避免了内存碎片的产生。
- 优点：解决了内存碎片问题，适用于老年代这种对象存活率高的区域。
- 缺点：整理过程需要移动对象，这会消耗一定的性能，特别是当对象数量较多时。

Serial垃圾回收器

工作原理
- Serial垃圾回收器是最基础、最古老的垃圾回收器。它在进行垃圾回收时，会暂停所有应用线程（Stop - The - World，STW），单线程地执行垃圾回收工作。
- 对于新生代，它采用复制算法，将新生代划分为Eden区和两个Survivor区（通常称为From和To）。大部分对象首先在Eden区分配内存，当Eden区满时，触发Minor GC（新生代垃圾回收），将Eden区和From Survivor区中的存活对象复制到To Survivor区，然后清空Eden区和From Survivor区。下次Minor GC时，From和To的角色互换。
- 对于老年代，它采用标记 - 整理算法。当老年代空间不足时，触发Major GC（老年代垃圾回收，通常也称为Full GC），标记老年代中的存活对象，然后将存活对象整理到一起，释放未被标记的对象所占用的空间。
适用场景
- Serial垃圾回收器适用于单核处理器环境，或者对应用程序暂停时间要求不高、内存较小的应用场景。例如，一些简单的命令行工具、小型嵌入式系统等。由于其单线程执行垃圾回收，在多核处理器环境下无法充分利用多核性能，可能会导致较长的停顿时间。
配置参数 在JVM启动时，可以通过以下参数配置Serial垃圾回收器：

// 在JVM启动参数中添加以下内容
-XX:+UseSerialGC

Parallel垃圾回收器

Parallel垃圾回收器（Parallel Scavenge和Parallel Old）
- Parallel Scavenge（新生代）
  - 工作原理：Parallel Scavenge垃圾回收器同样采用复制算法来管理新生代。与Serial垃圾回收器不同的是，它是多线程的，在进行垃圾回收时可以利用多个CPU核心并行执行，从而缩短垃圾回收的停顿时间。它的目标是达到一个可控制的吞吐量（Throughput），吞吐量是指应用程序运行时间与总运行时间（应用程序运行时间 + 垃圾回收时间）的比值。
  - 适用场景：适用于对吞吐量要求较高的应用场景，如科学计算、大数据处理等。这些应用程序通常需要长时间运行，对停顿时间相对不太敏感，更看重系统的整体处理能力。
- Parallel Old（老年代）
  - 工作原理：Parallel Old垃圾回收器是Parallel Scavenge在老年代的对应实现，采用标记 - 整理算法，也是多线程执行。它与Parallel Scavenge配合使用，共同提供高吞吐量的垃圾回收解决方案。
  - 适用场景：同样适用于对吞吐量要求高的应用场景，特别是在老年代对象存活率较高的情况下，能够有效地利用多核处理器性能，减少垃圾回收对应用程序性能的影响。
配置参数 在JVM启动时，可以通过以下参数配置Parallel垃圾回收器：

// 配置Parallel Scavenge（新生代）和Parallel Old（老年代）
-XX:+UseParallelGC
// 也可以单独指定新生代和老年代的垃圾回收器
-XX:+UseParallelOldGC

示例代码

public class ParallelGCExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 模拟大量对象创建和销毁
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Object();
        }
    }
}

在上述代码中，通过大量创建对象来模拟应用程序的内存使用情况。在启动JVM时配置Parallel垃圾回收器，可以观察到其在高吞吐量场景下的表现。

CMS垃圾回收器

工作原理
- CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾回收器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的垃圾回收器。它在老年代使用标记 - 清除算法，尽量减少应用程序的停顿时间。
- 工作流程：
  - 初始标记（Initial Mark）：暂停所有应用线程，标记出直接与根对象相连的对象。这个阶段停顿时间较短。
  - 并发标记（Concurrent Mark）：与应用程序并发执行，从初始标记的对象开始，标记所有可达对象。这个阶段不会暂停应用线程，但可能会因为应用程序在运行过程中产生新对象而需要重新标记部分对象。
  - 重新标记（Remark）：再次暂停应用线程，修正并发标记期间因应用程序运行而产生变化的标记记录。这个阶段停顿时间比初始标记长，但比传统的Full GC停顿时间短。
  - 并发清除（Concurrent Sweep）：与应用程序并发执行，清除未被标记的对象，即垃圾对象。
适用场景
- CMS垃圾回收器适用于对响应时间要求较高的应用场景，如Web应用程序、交互式应用等。这些应用需要快速响应用户请求，尽量减少垃圾回收带来的停顿时间，以提供良好的用户体验。
配置参数 在JVM启动时，可以通过以下参数配置CMS垃圾回收器：

// 配置CMS垃圾回收器
-XX:+UseConcMarkSweepGC

缺点
- 内存碎片问题：由于采用标记 - 清除算法，会产生内存碎片，可能导致在分配大对象时找不到足够连续的内存空间，从而触发Full GC。
- 并发阶段的资源竞争：在并发标记和并发清除阶段，虽然应用程序可以继续运行，但垃圾回收器也需要占用一定的CPU资源，可能会与应用程序产生资源竞争，影响应用程序的性能。
- 浮动垃圾：在并发清除阶段，应用程序可能会产生新的垃圾对象，这些垃圾对象无法在本次垃圾回收中被清除，只能留到下一次垃圾回收，这部分垃圾称为浮动垃圾。

G1垃圾回收器

工作原理
- G1（Garbage - First）垃圾回收器是Java 7引入的一种面向服务器的垃圾回收器，它旨在替代CMS垃圾回收器，同时兼顾高吞吐量和低停顿时间。
- 分区（Region）概念：G1将堆内存划分为多个大小相等的Region，这些Region可以动态地被分配为Eden区、Survivor区或老年代。这样就避免了传统垃圾回收器中固定大小的堆内存区域划分带来的局限性。
- 垃圾优先回收策略：G1在进行垃圾回收时，首先会对各个Region中的垃圾进行评估，计算每个Region中垃圾对象的数量以及回收这些垃圾对象能获得的空间大小。然后根据这些评估结果，优先回收垃圾最多的Region，这也是“Garbage - First”名称的由来。
- 工作流程：
  - 初始标记（Initial Mark）：暂停所有应用线程，标记出直接与根对象相连的对象。这个阶段停顿时间较短。
  - 并发标记（Concurrent Mark）：与应用程序并发执行，从初始标记的对象开始，标记所有可达对象。
  - 最终标记（Final Mark）：暂停应用线程，处理并发标记阶段结束后仍遗留的少量对象的标记。
  - 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：根据前面标记阶段的结果，评估每个Region的回收价值，选择回收价值高的Region进行回收。在回收过程中，采用复制算法，将存活对象复制到其他Region，同时整理内存空间，避免产生内存碎片。
适用场景
- G1垃圾回收器适用于大内存、多核处理器的服务器环境，特别是对应用程序的响应时间有严格要求，同时又希望有较高吞吐量的应用场景。例如，大型电商平台、企业级中间件等。它能够在保证较低停顿时间的同时，维持较高的吞吐量。
配置参数 在JVM启动时，可以通过以下参数配置G1垃圾回收器：

// 配置G1垃圾回收器
-XX:+UseG1GC

示例代码

public class G1GCExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 模拟大对象创建和销毁
        byte[] largeObject = new byte[1024 * 1024 * 10]; // 10MB对象
        largeObject = null;
        // 触发垃圾回收
        System.gc();
    }
}

在上述代码中，创建了一个较大的对象，然后将其置为null，通过System.gc()触发垃圾回收，观察G1垃圾回收器在处理大对象和内存回收时的表现。

ZGC垃圾回收器

工作原理
- ZGC是Java 11引入的一种可伸缩的低延迟垃圾回收器。它的设计目标是在大堆内存（TB级）情况下，将停顿时间控制在10ms以内。
- 染色指针（Colored Pointers）和读屏障（Read Barriers）：ZGC使用染色指针技术，将对象的地址进行扩展，利用额外的几位来表示对象的一些状态信息，如是否被标记、是否正在转移等。读屏障用于在读取对象引用时，根据染色指针的状态进行相应的处理，如更新指针指向新的对象位置。
- 工作流程：
  - 并发标记（Concurrent Mark）：与应用程序并发执行，标记所有可达对象。在标记过程中，通过读屏障来处理对象引用的变化。
  - 并发转移（Concurrent Relocate）：同样与应用程序并发执行，将存活对象转移到新的内存位置。在转移过程中，通过染色指针和读屏障确保应用程序对对象的访问正确无误。当对象被转移后，其染色指针中的状态会被更新。
适用场景
- ZGC适用于对停顿时间极为敏感，同时又需要处理超大堆内存的应用场景，如大数据分析、云计算等。在这些场景下，传统垃圾回收器的停顿时间可能会严重影响应用程序的性能，而ZGC能够提供极低的停顿时间，满足应用程序的需求。
配置参数 在JVM启动时，可以通过以下参数配置ZGC垃圾回收器：

// 配置ZGC垃圾回收器
-XX:+UseZGC

优点
- 极低的停顿时间：通过并发标记和并发转移等机制，将停顿时间控制在非常低的水平，即使在处理大堆内存时也能保证应用程序的响应性。
- 可伸缩性：能够很好地适应不同大小的堆内存，无论是小内存应用还是TB级别的大内存应用，都能提供稳定的性能。

垃圾回收器的选择策略

应用场景优先
- 如果应用程序是对吞吐量要求较高的批处理任务，如大数据计算、科学模拟等，Parallel垃圾回收器可能是较好的选择。它能够利用多核处理器的性能，在较长时间的运行过程中保持较高的吞吐量。
- 对于响应时间敏感的Web应用、交互式应用，CMS或G1垃圾回收器更为合适。CMS能提供较短的停顿时间，而G1在兼顾停顿时间的同时，还能更好地处理大内存场景和避免内存碎片问题。
- 当应用程序处理超大堆内存且对停顿时间要求极为苛刻时，ZGC是首选。它能够在TB级别的堆内存下，将停顿时间控制在10ms以内，满足对响应时间要求极高的场景。
硬件环境考量
- 在单核处理器环境下，Serial垃圾回收器可能是最适合的，因为多线程的垃圾回收器在单核环境下无法发挥其并行处理的优势，反而可能因为线程切换等开销降低性能。
- 对于多核处理器且内存资源充足的服务器环境，可以根据应用场景选择Parallel、G1或ZGC等多线程垃圾回收器，充分利用多核性能和大内存优势。
性能测试与调优
- 在选择垃圾回收器后，还需要进行性能测试和调优。可以通过JVM提供的各种性能监控工具，如jstat、jvisualvm等，收集垃圾回收的相关指标，如停顿时间、吞吐量、内存使用情况等。根据这些指标，调整垃圾回收器的相关参数，如堆内存大小、新生代与老年代的比例、垃圾回收的阈值等，以达到最佳的性能表现。

例如，对于一个Web应用，首先可以选择CMS垃圾回收器进行初步测试。通过jstat观察其垃圾回收的停顿时间和频率，如果发现停顿时间过长，可以尝试调整CMS的相关参数，如增加并发线程数（通过-XX:ConcGCThreads参数）来提高并发标记和清除阶段的效率。如果仍然无法满足性能要求，可以考虑切换到G1垃圾回收器，再次进行测试和调优，直到找到最适合该应用的垃圾回收器和配置参数。

垃圾回收器的配置参数详解

通用配置参数
- 堆内存大小：
  - -Xms：设置JVM初始堆大小。例如，-Xms2g表示初始堆大小为2GB。
  - -Xmx：设置JVM最大堆大小。例如，-Xmx4g表示最大堆大小为4GB。合理设置堆内存大小对于垃圾回收性能至关重要。如果堆内存过小，可能会频繁触发垃圾回收；如果堆内存过大，垃圾回收的时间可能会变长。
- 新生代与老年代比例：
  - -XX:NewRatio：设置新生代与老年代的比例。例如，-XX:NewRatio=2表示新生代与老年代的大小比例为1:2，即新生代占堆内存的1/3，老年代占2/3。不同的应用场景可能需要不同的新生代与老年代比例，一般来说，对象存活时间短的应用可以适当增大新生代的比例。
各垃圾回收器特定配置参数
- Serial垃圾回收器：
  - -XX:SurvivorRatio：设置Eden区与Survivor区的比例。例如，-XX:SurvivorRatio=8表示Eden区与每个Survivor区的大小比例为8:1，即新生代中Eden区占8/10，两个Survivor区各占1/10。
- Parallel垃圾回收器：
  - -XX:ParallelGCThreads：设置Parallel垃圾回收器的线程数。在多核处理器环境下，可以适当增加线程数以提高垃圾回收效率，但线程数过多也可能导致线程切换开销增大。例如，-XX:ParallelGCThreads=4表示使用4个线程进行垃圾回收。
  - -XX:MaxGCPauseMillis：设置最大垃圾回收停顿时间目标。Parallel垃圾回收器会尽量调整堆大小和垃圾回收频率，以满足这个停顿时间目标。例如，-XX:MaxGCPauseMillis=200表示希望最大垃圾回收停顿时间不超过200毫秒。
- CMS垃圾回收器：
  - -XX:ConcGCThreads：设置CMS并发垃圾回收的线程数。一般来说，该线程数与CPU核心数相关，通常可以设置为CPU核心数的1/4到1/2之间。例如，对于8核处理器，可以设置-XX:ConcGCThreads=2。
  - -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：设置CMS垃圾回收器开始标记的老年代占用率阈值。当老年代内存占用达到这个阈值时，CMS开始进行垃圾回收。例如，-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70表示当老年代内存占用达到70%时，启动CMS垃圾回收。
- G1垃圾回收器：
  - -XX:G1HeapRegionSize：设置G1 Region的大小。Region大小可以根据堆内存大小进行调整，一般取值范围在1MB到32MB之间。例如，-XX:G1HeapRegionSize=16m表示每个Region大小为16MB。
  - -XX:MaxGCPauseMillis：与Parallel垃圾回收器类似，G1也可以设置最大垃圾回收停顿时间目标。G1会根据这个目标动态调整回收策略，优先回收垃圾最多且能满足停顿时间要求的Region。
- ZGC垃圾回收器：
  - -XX:ZCollectionInterval：设置ZGC垃圾回收的间隔时间。可以通过调整这个参数来控制垃圾回收的频率。例如，-XX:ZCollectionInterval=1000表示每隔1000毫秒进行一次ZGC垃圾回收。
  - -XX:ZAllocationSpikeTolerance：设置ZGC对内存分配峰值的容忍度。当内存分配速率突然增加时，ZGC可以根据这个容忍度来决定是否立即进行垃圾回收，以避免不必要的停顿。

通过合理配置这些参数，可以根据应用程序的特点和硬件环境，优化垃圾回收器的性能，提高应用程序的整体运行效率。

总结与实践建议

在选择和配置Java垃圾回收器时，需要综合考虑应用场景、硬件环境等多方面因素。不同的垃圾回收器在性能、停顿时间、内存管理等方面各有优劣。

对于大多数应用场景，优先考虑应用程序对响应时间和吞吐量的要求。如果对响应时间敏感，如Web应用、交互式应用，可优先尝试CMS或G1垃圾回收器；如果对吞吐量要求较高，如批处理任务，Parallel垃圾回收器可能更合适。对于超大堆内存且对停顿时间极为苛刻的场景，ZGC是最佳选择。

在硬件环境方面，单核处理器适合使用Serial垃圾回收器，多核处理器则可以充分发挥多线程垃圾回收器的优势。

在实际应用中，一定要进行性能测试和调优。通过JVM提供的性能监控工具，收集垃圾回收的相关指标，根据这些指标调整垃圾回收器的配置参数，以达到最佳的性能表现。同时，随着应用程序的发展和硬件环境的变化，可能需要重新评估和调整垃圾回收器的选择与配置，以确保应用程序始终保持高效运行。

通过深入理解垃圾回收器的原理、适用场景和配置参数，开发者可以更好地优化Java应用程序的内存管理，提升应用程序的性能和稳定性。