JVM中有幾種GC算法

# JVM中有幾種GC算法

## 引言

在Java虛擬機(JVM)中，垃圾回收(GC)是自動內存管理的核心機制。不同的GC算法針對不同場景設計，理解這些算法對性能調優至關重要。本文將系統介紹JVM中的主要GC算法及其實現原理。

## 一、基礎GC算法分類

### 1. 標記-清除算法（Mark-Sweep）

**實現原理：**
1. 標記階段：從GC Roots出發遍歷對象圖，標記存活對象
2. 清除階段：線性遍歷堆內存，回收未標記對象占用的空間

**特點：**
- 會產生內存碎片
- 執行效率與存活對象數量正相關
- 典型實現：CMS收集器的老年代回收

### 2. 標記-整理算法（Mark-Compact）

**改進點：**
在標記完成后，將所有存活對象向內存一端移動

**優勢：**
- 解決內存碎片問題
- 適合對象存活率高的場景

**缺點：**
- 移動對象成本高
- 需要暫停應用線程（Stop-The-World）

### 3. 復制算法（Copying）

**工作原理：**
將內存分為大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊。當進行GC時：
1. 將存活對象復制到另一塊內存
2. 清空當前使用的內存塊

**特點：**
- 無內存碎片問題
- 空間利用率只有50%
- 適合對象存活率低的場景（如新生代）

## 二、分代收集理論

現代JVM普遍采用分代收集策略，將堆劃分為不同區域：

### 1. 新生代（Young Generation）
- 特點：對象生命周期短，GC頻繁
- 使用算法：復制算法（Survivor區設計）
- 具體實現：
  - Serial收集器
  - ParNew收集器
  - Parallel Scavenge收集器

### 2. 老年代（Old Generation）
- 特點：對象存活時間長
- 使用算法：
  - 標記-清除（CMS）
  - 標記-整理（Serial Old, Parallel Old）
- 觸發條件：Major GC/Full GC

## 三、主流GC實現方案

### 1. Serial收集器
- 單線程STW收集
- 新生代：復制算法
- 老年代：標記-整理
- 適用場景：客戶端模式

### 2. Parallel收集器
- 多線程并行收集
- 吞吐量優先
- 包含：
  - Parallel Scavenge（新生代）
  - Parallel Old（老年代）

### 3. CMS收集器（Concurrent Mark-Sweep）
**四階段過程：**
1. 初始標記（STW）
2. 并發標記
3. 重新標記（STW）
4. 并發清除

**特點：**
- 低延遲優先
- 使用標記-清除算法
- 內存碎片問題

### 4. G1收集器（Garbage-First）
**革新性設計：**
- 將堆劃分為多個Region（默認2048個）
- 預測停頓時間模型
- 混合收集模式

**執行流程：**
1. 初始標記
2. 并發標記
3. 最終標記
4. 篩選回收

### 5. ZGC收集器（JDK11+）
**關鍵技術：**
- 著色指針（Colored Pointers）
- 讀屏障（Load Barrier）
- 并發整理
- 目標：亞毫秒級停頓

### 6. Shenandoah收集器
**特點：**
- 并發壓縮算法
- 與應用程序線程并發執行
- 低延遲優先

## 四、算法對比分析

| 算法類型       | 吞吐量 | 停頓時間 | 內存占用 | 適用場景           |
|----------------|--------|----------|----------|--------------------|
| Serial         | 中     | 長       | 低       | 客戶端應用         |
| Parallel       | 高     | 中       | 中       | 后臺計算           |
| CMS            | 中     | 短       | 高       | Web服務            |
| G1             | 中高   | 可預測   | 較高     | 大內存服務         |
| ZGC/Shenandoah | 中     | 極短     | 高       | 低延遲要求嚴格場景 |

## 五、選擇策略建議

1. **吞吐量優先**：Parallel Scavenge + Parallel Old
2. **延遲敏感**：CMS（JDK8及之前）或 G1（JDK9+）
3. **超大堆內存**：G1或ZGC
4. **極致低延遲**：ZGC/Shenandoah（JDK11+）

## 六、最新發展趨勢

1. **無分代收集**：ZGC等新一代收集器嘗試取消分代假設
2. **異構內存**：針對NVM等新型硬件的GC優化
3. **調優**：基于機器學習的自動參數調整

## 結語

JVM的GC算法經歷了從基礎理論到工程實踐的持續演進。理解不同算法的核心原理和適用場景，是進行JVM調優的基礎。隨著硬件發展和新需求的涌現，未來必將出現更先進的GC實現方案。

> 注：本文基于JDK17 LTS版本，部分收集器（如Serial/Parallel）在最新版本中已被標記為廢棄。

這篇文章約1500字，采用Markdown格式，包含： 1. 多級標題結構 2. 算法原理說明 3. 對比表格 4. 分點列舉 5. 技術術語標注 6. 實用建議 7. 版本說明

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