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垃圾收集器ParNewCMS与底层三色标记算法详解

backend 2025/8/5 15:49:34

垃圾收集技术详解笔记

1. 分代收集理论

当前虚拟机的垃圾收集采用分代收集算法，根据对象存活周期将内存分为不同代区，以优化回收效率。

核心分区：
- 新生代（Young Generation）：对象存活周期短，约99%对象在每次回收时死亡。
- 老年代（Old Generation）：对象存活率高，无额外分配担保空间。
算法选择：
- 新生代：适用复制算法（效率高，只需复制少量存活对象）。
- 老年代：适用标记-清除或标记-整理算法（避免复制开销，但速度慢10倍以上）。

2. 垃圾收集算法详解

2.1 标记-复制算法

解决效率问题，将内存分为大小相等的两块。

工作流程：
1. 使用其中一块内存。
2. 当内存耗尽，将存活对象复制到另一块。
3. 清理原内存块。
内存变化示例：
- 整理前：碎片化状态。
- 整理后：存活对象集中到另一块，内存连续。
内存区域类型：
- 可用内存、可回收内存、存活对象、保留内存。

2.2 标记-清除算法

最基础算法，分“标记”和“清除”两阶段。

工作流程：
- 标记存活对象（或需回收对象）。
- 清除未标记对象。
缺点：
- 效率问题：标记大量对象时性能低。
- 空间问题：产生内存碎片（不连续空间）。
内存变化示例：
- 整理前：碎片化状态。
- 整理后：碎片化更严重，仅区分可用内存、可回收内存、存活对象。

2.3 标记-整理算法

专为老年代设计，标记后移动对象以消除碎片。

工作流程：
1. 标记存活对象。
2. 将所有存活对象向一端移动。
3. 清理边界外内存。
内存变化示例：
- 回收前：碎片化状态。
- 回收后：对象紧凑排列，区分存活对象、可回收内存、未使用内存。

3. 垃圾收集器实现

收集器是算法的具体实现，需根据场景选择。无“万能”收集器。

3.1 Serial收集器（-XX:+UseSerialGC, -XX:+UseSerialOldGC）

特点：
- 单线程收集器，工作时暂停所有线程（Stop The World）。
- 简单高效（无线程交互开销）。
算法：
- 新生代：复制算法。
- 老年代：标记-整理算法。
适用场景：客户端模式或小内存应用。

3.2 Parallel Scavenge收集器（-XX:+UseParallelGC, -XX:+UseParallelOldGC）

特点：
- Serial的多线程版本（默认线程数 = CPU核数）。
- 关注吞吐量（CPU运行用户代码时间占比）。
算法：
- 新生代：复制算法。
- 老年代：标记-整理算法。
Parallel Old收集器：
- Parallel Scavenge的老年代版本，多线程 + 标记-整理算法。
- JDK8默认收集器，适合高吞吐场景。

3.3 ParNew收集器（-XX:+UseParNewGC）

特点：
- 类似Parallel，但专为与CMS收集器配合设计。
- 新生代使用复制算法。
适用场景：Server模式下的首选（与CMS兼容）。

3.4 CMS收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC）

特点：
- 并发收集器（最短停顿时间），用户线程与GC线程并行。
- 基于标记-清除算法。
工作流程：
1. 初始标记（STW）：标记GC Roots直接引用对象。
2. 并发标记：遍历对象图（无停顿）。
3. 重新标记（STW）：修正并发标记变动（用增量更新算法）。
4. 并发清理：清除未标记对象。
5. 并发重置：重置标记数据。
缺点：
- CPU敏感（与业务线程抢资源）。
- 浮动垃圾（并发阶段新垃圾需下次回收）。
- 内存碎片（需定期整理）。
- 不确定性（可能触发Concurrent Mode Failure，降级为Serial Old）。

关键参数：

-XX:+UseConcMarkSweepGC     # 启用CMS  
-XX:ConcGCThreads            # 并发GC线程数  
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection  # FullGC后整理碎片  
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction       # 多少次FullGC后整理一次（默认0）  
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction   # 老年代使用比例触发FullGC（默认92%）  
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark         # CMS前启动Minor GC

4. 亿级流量电商系统JVM优化案例

针对订单系统（8G内存，分配4G给JVM）。

优化目标：减少Full GC（避免对象过早进入老年代）。

参数配置：

-Xms3072M -Xmx3072M -Xmn2048M   # 堆大小（新生代2G）  
-Xss1M                          # 线程栈大小  
-XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M  # 元空间  
-XX:SurvivorRatio=8             # Eden与Survivor比例  
-XX:MaxTenuringThreshold=5      # 对象年龄阈值（从15改为5）  
-XX:PretenureSizeThreshold=1M   # 直接进入老年代对象大小阈值  
-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC  # 新生代ParNew + 老年代CMS  
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92     # 老年代92%触发FullGC  
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection        # FullGC后整理碎片  
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3          # 每3次FullGC整理一次

优化原理：
- 增大新生代（-Xmn2048M），减少对象动态年龄判断导致的过早晋升。
- 降低对象年龄阈值（-XX:MaxTenuringThreshold=5），确保短期对象在Minor GC回收。
- CMS默认参数适合高峰后Full GC（几小时一次）。

5. 垃圾收集底层算法

5.1 三色标记算法

解决并发标记中的漏标问题，将对象分为三色：

黑色：已扫描完（安全存活）。
灰色：已扫描，但引用未全扫描。
白色：未扫描（不可达对象）。
问题与解决：
- 多标（浮动垃圾）：并发阶段局部变量销毁导致本应回收的对象未被回收（下一轮GC处理）。
- 漏标：通过读写屏障解决：
  - 增量更新（CMS使用）：黑色对象插入新引用时记录，重新扫描。
  - 原始快照（SATB, G1使用）：灰色对象删除引用时记录，重新扫描。

读写屏障实现：

// 写屏障示例（增量更新）  
void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {pre_write_barrier(field);    // 写前操作（记录旧值）*field = new_value;post_write_barrier(field, new_value); // 写后操作（记录新值）
}