HotSpot虚拟机GC收集器全解析

kitirose

842人浏览 · 2025-10-31 10:13:53

kitirose · 2025-10-31 10:13:53 发布

一、HotSpot GC 总体架构概览

HotSpot 的 GC 并不是单一算法实现，而是一整套可组合的“收集器框架”，核心思想是：

不同区域（年轻代 / 老年代 / 元空间）使用不同的算法与收集器策略。

从宏观来看：

区域	典型算法	常见收集器	是否分代
年轻代（Young Gen）	复制算法 (Copying)	Serial、Parallel Scavenge、G1 YGC、ZGC、Shenandoah	✅
老年代（Old Gen）	标记-整理或区域化疏散	Serial Old、Parallel Old、CMS、G1 Old、ZGC、Shenandoah	✅
元空间（Metaspace）	类元数据的本地内存分配	无专门 GC（通过 ClassLoader 卸载释放）	❌

这些收集器可以按代配对组合使用，比如：

Serial + Serial Old
Parallel Scavenge + Parallel Old
ParNew + CMS
G1（整堆统一）
ZGC / Shenandoah（整堆统一，无明显分代界限）

二、HotSpot 主要收集器一览（按演进顺序）

1️⃣ Serial 收集器（单线程，基础款）

年轻代算法：复制 (Copying)
老年代算法：标记-整理 (Mark-Compact)
特点：
- 单线程：无论 CPU 几核，GC 线程只有 1 个。
- Stop The World（STW）全停顿：GC 时所有用户线程暂停。
优点：实现简单、开销小、吞吐高。
缺点：停顿长，不适合多核和大堆。
适用场景：单核或 Client 模式（JVM 默认选择）。

可视作 HotSpot 最原始、最纯粹的 GC 实现，后续所有收集器都基于此改进。

2️⃣ ParNew 收集器（Serial 的多线程版）

年轻代算法：复制 (Copying)
特点：
- 多线程版本的 Serial，其他机制几乎一致。
- 可以与 CMS 搭配使用（因为 CMS 需要并发的年轻代收集器）。
适用场景：搭配 CMS 时代的主流选择（JDK 8 之前）。

3️⃣ Parallel Scavenge / Parallel Old（吞吐量优先型）

Parallel Scavenge（年轻代）

算法：复制
目标：最大化吞吐量（用户代码运行时间 / 总时间）
特点：
- 自动调节堆大小、Eden:Survivor 比例、GC 频率。
- 通过参数 XX:MaxGCPauseMillis、XX:GCTimeRatio 等控制平衡。
- 与 G1 不同，它不关注延迟，而关注总产出效率。

Parallel Old（老年代）

算法：标记-整理
多线程化的老年代收集器。
与 Parallel Scavenge 搭配，组成 高吞吐组合。

适用场景：

批处理、后台计算、大堆非交互系统（如 Spark、Hadoop、服务端定时任务等）。

4️⃣ CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器（低延迟时代的过渡产物）

CMS 是第一个真正的并发收集器，目标是减少老年代停顿。

年轻代：通常搭配 ParNew。
老年代算法：标记-清除 (Mark-Sweep)。
主要阶段：
1. 初始标记 (Initial Mark)：STW，仅标记 GC Roots 直接可达对象。
2. 并发标记 (Concurrent Mark)：应用线程与 GC 并发执行，标记可达对象。
3. 重新标记 (Remark)：STW，修正并发期间变动的对象引用。
4. 并发清除 (Concurrent Sweep)：清理不可达对象，和应用并发进行。
优点：
- 大部分阶段并发执行，停顿时间短。
缺点：
- 不整理 → 内存碎片化严重；
- 存在“浮动垃圾”；
- 并发失败可能退化为 Full GC（STW 标记整理）。

典型参数：

-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:+UseParNewGC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70

注意

CMS 在 JDK 14 被正式移除，被 G1 彻底取代。

5️⃣ G1（Garbage First）收集器（分区 + 并发 + 可控延迟）

G1 是 CMS 的继任者，也是现代 HotSpot 默认收集器。

基本思想：

把整个堆划分为若干等大小的 Region（区域）。
不再物理区分年轻代 / 老年代，而是逻辑划分。
优先回收“垃圾比例最高”的区域（Garbage-First）。

算法混合特征：

年轻代：复制（Eden + Survivor 区之间疏散）
老年代：标记-整理（通过 Region 疏散实现无碎片）
支持并发标记（SATB）、可预测停顿目标（XX:MaxGCPauseMillis）。

回收阶段：

初始标记（STW）
并发标记
最终标记（STW）
筛选回收（Mixed GC）：混合回收年轻代 + 部分老年代区域。

优点：

无需全堆停顿；
无碎片；
可控停顿时间；
吞吐/延迟平衡良好。

参数示例：

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

适用场景：

中大型堆（4G~几十GB）、对延迟有一定要求的服务端程序。

6️⃣ ZGC（Z Garbage Collector）（并发压缩、极低延迟）

ZGC 是 “次世代” 收集器，几乎全流程并发，目标：<1ms 停顿。

核心机制：

Region 化（ZPage）：动态大小的区域。
Colored Pointer（着色指针）：用对象引用的高位比特表示对象状态（如标记、重定位中等）。
Load Barrier（加载屏障）：在每次读引用时，自动修正指针到新位置，实现并发重定位。
无碎片、无长停顿：所有阶段并发执行，仅短暂 STW 初始标记。

算法：

并发标记
并发重定位
并发引用处理

特性：

支持超大堆（TB 级）
停顿时间与堆大小解耦
JDK 17+ 默认支持 分代 ZGC（Generational ZGC）

参数：

-XX:+UseZGC
-XX:SoftMaxHeapSize=8G

适用场景：

延迟敏感型（在线游戏、大型 Web 服务、金融交易系统等）。

7️⃣ Shenandoah GC（Red Hat 主导，JDK 12+）

也是低延迟收集器，与 ZGC 类似，但实现不同。

算法：Region + 并发标记 + 并发压缩。
实现：
- 采用 Brooks Pointer（转发指针）。
- 借助 读/写屏障实现并发对象移动。
目标：停顿时间 <10ms，与堆大小弱相关。

对比 ZGC：

特性	ZGC	Shenandoah
指针方案	着色指针	转发指针
厂商	Oracle	Red Hat
延迟	极低（1ms）	很低（几ms）
吞吐	略高	略低

三、收集器关系图谱（总结）

                ┌───────────────────┐
                │   Serial (单线程) │
                └────────┬──────────┘
                         │
          ┌──────────────┴──────────────┐
          │                             │
   ┌──────▼───────┐              ┌──────▼───────┐
   │  ParNew + CMS│              │Parallel系列   │
   │(并发标记清除)│              │(吞吐量优先)  │
   └──────────────┘              └──────────────┘
          │
          ▼
       ┌──────┐
       │  G1  │  (区域化 + 并发标记整理)
       └──────┘
          │
          ▼
   ┌───────────────┬───────────────┐
   │     ZGC       │   Shenandoah  │
   │ (并发压缩)    │ (转发指针)   │
   └───────────────┴───────────────┘

四、HotSpot 收集器演进结论

收集器	核心算法	并发性	目标	状态
Serial	标记-整理 / 复制	❌	简单/小堆	历史
Parallel	标记-整理 / 复制	✅	吞吐优先	活跃
CMS	标记-清除	✅	低延迟	已移除
G1	区域化 + 并发标记整理	✅	延迟/吞吐平衡	默认
ZGC	并发标记 + 并发重定位	✅✅	极低延迟	推荐
Shenandoah	并发标记 + 并发压缩	✅✅	低延迟	可选