在前面我们已经了解了内存的划分和垃圾回收的基本概念。本文将深入探讨JVM中的几种主要垃圾收集器（Garbage Collectors，GC），包括Serial、ParNew、Parallel Scavenge、Serial Old、Parallel Old、CMS、G1和ZGC，它们的原理和核心参数。

1 单线程垃圾收集器

整个垃圾收集过程只使用单个线程，且必须暂停其他所有的工作线程，会造成长时间的Stop The World，适合单核CPU场景。

1.1 Serial收集器

• 概述：最早的单线程收集器，用于新生代的垃圾回收。
• 原理：用于新生代的垃圾回收，使用标记-复制算法。
• 核心参数：
  • -XX:+UseSerialGC：启用Serial GC。

1.2 Serial Old 收集器

• 概述：Serial的老年代版本，在JDK1.5以及以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，或者作为CMS收集器的后备方案
• 原理：使用标记-整理算法。
• 核心参数：
  • -XX:+UseSerialOldGC：启用Serial Old GC。

2 多线程垃圾收集器

使用多线程进行垃圾收集，减少STW的时间，注重吞吐量和CPU的利用率。所谓吞吐量就是CPU中用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，适合多核CPU场景。

2.1 Parallel Scavenge收集器

• 概述：Serial收集器的多线程版本，用于新生代的垃圾回收，JDK8默认的新生代收集器
• 原理：使用标记-复制算法
• 核心参数：
  • -XX:+UseParallelGC：启用Parallel Scavenge GC。
  • -XX:ParallelGCThreads=<N>：设置垃圾回收的线程数。默认的收集线程数跟cpu核数相同，一般不推荐修改。

2.2 ParNew收集器

• 概述：ParNewParallel收集器基本类似，同样用于新生代的垃圾回收，区别主要在于它可以和CMS收集器配合使用。
• 原理：使用标记-复制算法
• 核心参数：
  • -XX:+UseParNewGC：启用ParNew GC。
  • -XX:ParallelGCThreads=<N>：设置垃圾回收的线程数。默认的收集线程数跟cpu核数相同，一般不推荐修改。

2.3 Parallel Old收集器

• 概述：Parallel Scavenge的老年代版本，JDK8默认的老年代收集器
• 原理：与Serial Old类似，使用标记-整理算法，但是使用多线程进行垃圾回收。
• 核心参数：
  • -XX:+UseParallelOldGC：启用Parallel Old GC。

3 并发垃圾收集器

注重减少用户线程的停顿时间，提高用户体验，真正意义上的并发收集器，实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。适合多核CPU，注重用户体验的场景。

3.1 CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器旨在减少应用的停顿时间。

• 原理：并发进行标记和清除，减少停顿时间，但可能导致内存碎片。
• 收集步骤：
  1. 初始标记： 暂停所有的其他线程(STW)，并记录下GC roots直接能引用的对象，速度很快。
  2. 并发标记： 从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程， 这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程， 可以与垃圾收集线程一起并发运行。因为用户程序继续运行，可能会有导致已经标记过的对象状态发生改变。
  3. 重新标记： 暂停所有的其他线程(STW)，修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的对象的标记记录（主要是处理漏标问题），这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短。
  4. 并发清理： 开启用户线程，同时GC线程开始对未标记的区域做清扫。这个阶段如果有新增对象会被标记为黑色不做任何处理。
  5. 并发重置：重置本次GC过程中的标记数据。
• 核心参数：
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用CMS GC。
  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<百分比>：设置触发CMS的堆占用率。
  • -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之后做压缩整理（减少碎片）
  • -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次FullGC之后压缩一次，默认是0，代表每次FullGC后都会压缩一次
  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction: 当老年代使用达到该比例时会触发FullGC（默认是92，这是百分比），过高可能会造成因为需要回收的对象过多，处理时间过长而造成并发失败。阀值过低，CMS过于频繁，对应用性能同样会有影响
  • -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：只使用设定的回收阈值(-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设定的值)，如果不指定，JVM仅在第一次使用设定值，后续则会自动调整
  • -XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在CMS GC前启动一次minor GC，降低CMS GC标记阶段(也会对年轻代一起做标记，如果在minor GC就干掉了很多对垃圾对象，标记阶段就会减少一些标记时间)时的开销，一般CMS的GC耗时 80%都在标记阶段
  • XX:+CMSParallellnitialMarkEnabled：表示在初始标记的时候多线程执行，缩短STW
  • -XX:+CMSParallelRemarkEnabled：在重新标记的时候多线程执行，缩短STW;

3.2 G1收集器

G1（Garbage-First）收集器是区域化堆的收集器，旨在提供可预测的停顿时间。是JDK1.9默认垃圾回收器。

• 原理：不再对内存进行物理上的分代，而只是进行逻辑上的分区，将Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），优先回收价值最高的区域，使用标记-整理算法。
• 垃圾收集分类：
  • YoungGC：现有的Eden区放满后，G1会计算Eden区回收大概要多久时间，如果回收时间远远小于参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么增加年轻代的Region，继续给新对象存放，如果G1计算回收时间接近参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么就会触发Young GC。
  • MixedGC：不是FullGC，老年代的堆占有率达到参数-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent设定的值则触发，回收所有的Young和部分Old（根据期望的GC停顿时间确定old区垃圾收集的优先顺序）以及大对象区，正常情况G1的垃圾收集是先做MixedGC，主要使用复制算法，需要把各个Region中存活的对象拷贝到别的Region里去，拷贝过程中如果发现没有足够的空Region能够承载拷贝对象就会触发一次Full GC。
  • Full GC：停止系统程序，然后采用单线程进行标记、清理和压缩整理，好空闲出来一批Region来供下一次MixedGC使用，这个过程是非常耗时的。(Shenandoah优化成多线程收集了)
• 收集步骤：
  1. 初始标记：同CMS的初始标记
  2. 并发标记：同CMS的并发标记
  3. 最终标记：同CMS的重新标记
  4. 筛选回收：对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据设置的可接受GC停顿时间来优先回收价值高的Region。
• 核心参数：
  • -XX:+UseG1GC：启用G1 GC。
  • -XX:ParallelGCThreads：指定GC工作的线程数量
  • -XX:G1HeapRegionSize：指定分区大小（1MB~32MB，且必须是2的N次幂），默认将整堆划分为2048个分区
  • -XX:MaxGCPauseMillis=<毫秒>：设置目标最大GC停顿时间来制定回收计划，默认200ms
  • -XX:G1NewSizePercent：新生代内存初始空间（默认整堆5%）
  • -XX:G1MaxNewSizePercent：新生代内存最大空间。
  • -XX:TargetSurvivorRatio：Survivor区的填充容量（默认50%），Survivor区域里的一批对象（年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象）总和超过了Survivor区域的50%，此时就会把年龄n（含）以上的对象都放入老年代
  • -XX:MaxTenuringThreshold：最大年龄阈值（默认15）
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：老年代占用空间达到整堆内存阈值（默认45%），则执行新生代和老年代的混合收集（MixedGC），比如我们之前说的堆默认有2048个Region，如果有接近1000个Region都是老年代的Region，则可能就要触发MixedGC了
  • -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent：Region中的存活对象低于这个值时才会回收该Region（默认85%），如果超过这个值，存活对象过多，回收的的意义不大。
  • -XX:G1MixedGCCountTarget：在一次回收过程中指定做几次筛选回收（默认8次），在一个筛选回收阶段可以回收一会儿，然后暂停回收，恢复系统运行，一会再开始回收，这样可以让系统不至于单次停顿时间过长。
  • -XX:G1HeapWastePercent：GC过程中空出来的Region是否达到阈值（默认5%），在MixedGC的时候，对Region回收都是基于复制算法进行的，都是把要回收的Region里的存活对象放入其他Region，然后这个Region中的垃圾对象全部清理掉，这样的话在回收过程就会不断空出来新的Region，一旦空闲出来的Region数量达到了堆内存的5%，此时就会立即停止混合回收，意味着本次MixedGC就结束了。

3.3 ZGC收集器

ZGC（Z Garbage Collector）是一个可扩展、低延迟、并发的垃圾收集器。

• 原理：利用多线程并发标记和复制，以及颜色指针技术，实现低延迟GC。
• 收集步骤：
  1. 并发标记：与G1一样，并发标记是遍历对象图做可达性分析的阶段，它的初始标记和最终标记也会出现短暂的停顿。
  2. 并发预备重定位：这个阶段需要根据特定的查询条件统计得出本次收集过程要清理哪些Region，将这些Region组成重分配集。
  3. 并发重定位：重分配是ZGC执行过程中的核心阶段，这个过程要把重分配集中的存活对象复制到新的Region上，并为重分配集中的每个Region维护一个转发表，记录从旧对象到新对象的转向关系。
  4. 并发重映射：重映射所做的就是修正整个堆中指向重分配集中旧对象的所有引用。
• 核心参数：
  • -XX:+UnlockExperimentalVMOptions：启用ZGC的实验性选项。
  • -XX:+UseZGC：启用ZGC。

4 垃圾收集器搭配

1. 优先调整堆的大小让服务器自己来选择
2. 如果内存小于100M，使用串行收集器
3. 如果是单核，并且没有停顿时间的要求，串行或JVM自己选择
4. 如果允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选
5. 如果响应时间最重要，并且不能超过1秒，使用并发收集器
6. 4G以下可以用parallel，4-8G可以用ParNew+CMS，8G以上可以用G1，几百G以上用ZGC

下图有连线的可以搭配使用：

5 结语

在本篇博文中，我们探讨了JVM中的几种主要垃圾收集器，包括Serial、ParNew、Parallel Scavenge、Serial Old、Parallel Old、CMS、G1和ZGC。我们了解了它们的原理、核心参数以及在不同场景下的应用选择，为搭建JVM内存管理和垃圾回收的知识框架提供了基础。

尽管本文涵盖了垃圾收集器的核心参数和类型，但JVM内存管理和垃圾回收的领域是庞大且复杂的，还有许多知识点，如记忆集、颜色指针等，尚未在本文中完全阐述。读者可以以此为框架自行探索和填充这些知识点，以不断完善和丰富个人的知识体系。

最后，垃圾收集器的调优是一个持续的过程，需要根据应用的实际运行情况进行不断的调整和优化。希望本文能够为读者在JVM垃圾收集器的选择和调优上提供有益的参考和指导。