【JVM】垃圾回收器

可以把CMS 和 G1理解成两代不同思想的垃圾回收器：

CMS 的核心目标是：尽量缩短单次 STW 时间。

G1 的核心目标是：在可控停顿时间内，尽量回收更多垃圾。

一、CMS 垃圾回收器

CMS 全称是Concurrent Mark Sweep，中文一般叫并发标记清除垃圾回收器。

它主要用于老年代回收。

它的设计目标是：

响应时间优先，尽量减少 STW 时间。

也就是说，CMS 更关心的是：

用户线程不要停太久。

比如一些 Web 系统、接口服务，如果一次 GC 停顿几秒，用户请求就会明显卡顿，所以 CMS 希望把 GC 的大部分工作和用户线程并发执行。

二、CMS 的回收过程

CMS 的完整过程主要有四步：

初始标记 -> 并发标记 -> 重新标记 -> 并发清理

1. 初始标记：STW

初始标记会暂停用户线程。

它只标记一小部分对象：

GC Roots 能直接关联到的对象。

比如：

线程栈中的引用 静态变量引用 常量引用 JNI 引用

这些根对象直接能找到的对象，会被先标记出来。

因为这个阶段只标记直接关联对象，所以速度很快，STW 时间较短。

2. 并发标记：不需要 STW

并发标记阶段，GC 线程和用户线程同时执行。

它会从初始标记阶段找到的对象继续往下遍历，找到所有可达对象。

比如：

GC Roots ↓ 对象 A ↓ 对象 B ↓ 对象 C

如果 A、B、C 都能从 GC Roots 间接访问到，那它们都不是垃圾。

这个阶段耗时较长，但因为它和用户线程并发执行，所以用户程序不会完全停下来。

这就是 CMS 停顿时间短的重要原因之一。

3. 重新标记：STW

问题来了。

并发标记的时候，用户线程还在运行。

用户线程可能会修改对象之间的引用关系。

比如原来是：

A -> B

并发标记过程中，用户线程改成了：

A -> C

这时候 GC 线程之前看到的对象关系可能已经过时了。

所以 CMS 需要进入重新标记阶段，再次暂停用户线程，修正并发标记期间发生变化的引用关系。

你写的“漏标”这个理解是对的，但可以说得更准确一点：

重新标记主要是为了修正并发标记期间，由于用户线程继续运行导致的标记变化，避免把仍然存活的对象误判为垃圾。

注意：GC 最怕的是把活对象当垃圾回收掉，这会导致程序错误。

4. 并发清理：不需要 STW

标记完成后，哪些对象是活的，哪些对象是垃圾，就已经知道了。

然后 CMS 会清理那些没有被标记的对象。

这个阶段也是并发执行的，GC 线程和用户线程同时工作。

但是 CMS 使用的是标记-清除算法。

所以它只是把垃圾对象占用的空间释放掉，并不会移动存活对象。

三、CMS 为什么 STW 时间短？

主要有两个原因。

第一，CMS 把耗时最长的两个阶段做成了并发：

并发标记 并发清理

这两个阶段不需要长时间暂停用户线程。

第二，CMS 使用的是标记-清除算法。

标记-清除不需要移动对象，只需要把垃圾对象清掉，所以清理速度相对较快。

所以 CMS 的整体特点是：

停顿时间短 响应速度好 适合低延迟系统

四、CMS 的缺点

CMS 的缺点也很明显，主要有三个。

1. 内存碎片问题

CMS 使用的是标记-清除算法。

标记-清除不会整理内存。

比如老年代原来是这样的：

[对象][垃圾][对象][垃圾][对象][垃圾]

清理之后变成：

[对象][空闲][对象][空闲][对象][空闲]

虽然空闲空间很多，但这些空间是不连续的。

这就会产生内存碎片。

假设现在有很多小空闲块：

2MB + 3MB + 4MB + 5MB

总共 14MB 空间。

但是如果你要分配一个 10MB 的大对象，就可能失败，因为没有一块连续的 10MB 空间。

于是就可能触发 Full GC。

2. 浮动垃圾问题

CMS 在并发清理阶段，用户线程还在运行。

用户线程运行过程中，还可能继续产生新的垃圾。

这些垃圾是在 CMS 标记完成之后才产生的，所以本轮 CMS 没有办法处理它们。

这些垃圾就叫：

浮动垃圾。

比如：

CMS 已经完成标记 用户线程继续运行 用户线程又产生了一批垃圾

这批垃圾只能等下一次 GC 再回收。

如果浮动垃圾太多，而老年代空间又不足，就可能出现：

Concurrent Mode Failure，并发模式失败。

这时候 CMS 就撑不住了，需要退化为 Full GC。

3. 并发执行会抢 CPU

CMS 的并发标记和并发清理虽然不会完全暂停用户线程，但 GC 线程和用户线程同时运行，会抢 CPU 资源。

如果服务器 CPU 核数比较少，CMS 可能会影响用户线程的执行效率。

所以 CMS 不是完全没有代价的。

五、CMS 退化为 Serial Old 的问题

当 CMS 出现问题，比如：

老年代空间不足 浮动垃圾太多 内存碎片严重 大对象分配失败

就可能触发 Full GC。

CMS 的 Full GC 通常会退化为Serial Old。

Serial Old 是单线程老年代垃圾回收器。

它会：

STW 单线程回收 使用标记-整理算法

标记-整理算法会移动对象，整理内存碎片。

比如：

[对象][空闲][对象][空闲][对象]

整理后变成：

[对象][对象][对象][空闲][空闲]

这样可以解决内存碎片问题。

但是代价是：

STW 时间非常长。

所以 CMS 的最大风险就是：

平时停顿很短，但一旦 Full GC，停顿可能非常严重。

六、G1 垃圾回收器

G1 全称是Garbage First。

意思是：

优先回收垃圾最多的区域。

G1 的设计目标是：

低延迟 高吞吐 可预测停顿时间 适合大堆内存

和 CMS 不同，G1 不只是老年代回收器，它是一个面向整个堆的垃圾回收器。

七、G1 的堆内存结构

传统垃圾回收器一般把堆分成：

新生代 老年代

比如：

Eden + Survivor + Old

而 G1 把整个堆切成很多个大小相等的小块。

这些小块叫：

Region。

比如整个堆被切成这样：

Region 1 Region 2 Region 3 Region 4 Region 5 ...

每个 Region 可以动态扮演不同角色：

Eden Region Survivor Region Old Region Humongous Region

Humongous Region 用来存放大对象。

所以 G1 不是完全不要分代，而是：

逻辑上仍然有新生代、老年代，但物理上不再是连续的大块空间，而是由一个个 Region 组成。

这一点很重要。

你写的“分区取代分代”可以稍微修正成：

G1 不是取消分代，而是用 Region 作为基本管理单位，让新生代和老年代都由一组不连续的 Region 组成。

八、G1 为什么可以控制 STW 时间？

G1 有一个很重要的参数：

-XX:MaxGCPauseMillis

比如设置为：

200ms

意思是希望 GC 停顿时间尽量控制在 200ms 左右。

注意，是“尽量”，不是绝对保证。

G1 的做法是：

不一定每次都回收整个堆，而是选择部分收益最高的 Region 回收。

比如现在有这些 Region：

Region A：垃圾 80% Region B：垃圾 70% Region C：垃圾 20% Region D：垃圾 10%

如果暂停时间预算有限，G1 会优先选择：

Region A Region B

因为它们垃圾最多，回收收益最高。

这就是 Garbage First 的含义：

垃圾最多的 Region 优先回收。

所以 G1 的思路是：

有限的停顿时间内 选择最值得回收的 Region 尽量回收更多空间

九、G1 的回收过程

G1 的回收过程可以分成两类：

Young GC Mixed GC

你写的那套过程更接近 G1 的并发标记周期和混合回收过程。

整体可以这样理解：

初始标记 -> 并发标记 -> 最终标记 -> 筛选回收/混合回收

1. 初始标记：STW

初始标记也是标记 GC Roots 直接关联的对象。

这个阶段需要 STW，但时间很短。

在 G1 中，初始标记通常会借助一次 Young GC 一起完成。

2. 并发标记：不需要 STW

并发标记阶段，GC 线程和用户线程一起执行。

它会扫描整个堆，找出存活对象，并统计每个 Region 的垃圾比例。

比如：

Region A：存活对象 20%，垃圾 80% Region B：存活对象 30%，垃圾 70% Region C：存活对象 90%，垃圾 10%

这些统计信息后面会用于制定回收计划。

3. 最终标记：STW

并发标记过程中，用户线程还在运行，对象引用关系可能发生变化。

所以 G1 也需要一个最终标记阶段，修正并发标记期间的变化。

这个阶段需要 STW。

4. 筛选回收 / 混合回收：STW

并发标记结束后，G1 知道了哪些 Region 垃圾比较多。

然后它会根据停顿时间目标，选择一部分 Region 进行回收。

这一步叫Mixed GC，混合回收。

为什么叫混合回收？

因为它回收的不只是新生代 Region，还可能包含部分老年代 Region。

比如：

Eden Region Survivor Region Old Region Humongous Region

G1 会选择其中一部分 Region 进行回收。

十、G1 使用什么垃圾回收算法？

G1 整体可以理解为：

局部复制算法 整体标记-整理思想

在具体回收某些 Region 时，G1 会把这些 Region 中还活着的对象复制到新的空 Region 中。

然后直接清空原来的 Region。

比如：

回收前： Region A： [活对象][垃圾][活对象][垃圾] 复制存活对象到 Region B： Region B： [活对象][活对象] 然后清空 Region A。

这样做的好处是：

不会产生 CMS 那种严重内存碎片

因为存活对象被复制到了新的连续空间，原 Region 可以整体释放。

十一、G1 相比 CMS 的优势

1. 解决内存碎片问题

CMS 用标记-清除，不移动对象，所以容易产生碎片。

G1 回收 Region 时，会复制存活对象，然后整体清空旧 Region。

所以 G1 可以减少内存碎片。

2. 可预测停顿时间

CMS 的目标是减少停顿，但不太好控制每次停顿时间。

G1 可以根据暂停时间目标选择回收哪些 Region。

所以 G1 更强调：

可预测的停顿时间。

3. 更适合大堆

CMS 在大堆场景下容易出现碎片和 Full GC 问题。

G1 把堆划分成 Region，可以按区域回收，所以更适合大堆内存场景。

十二、G1 的缺点

G1 也不是完美的。

它的缺点主要是：

实现复杂 维护 Region 信息成本高 需要 Remembered Set 记录跨 Region 引用 小堆场景下不一定比传统回收器更快

因为 G1 是按 Region 回收的，会遇到一个问题：

如果只回收某几个 Region，那怎么知道其他 Region 有没有引用这里面的对象？

比如：

Region A 里的对象 -> Region B 里的对象

如果现在只回收 Region B，那必须知道 Region A 有没有引用 Region B。

所以 G1 需要维护额外的数据结构，叫：

Remembered Set，记忆集。

它用来记录跨 Region 的引用关系。

这会带来额外的内存和性能开销。

十三、CMS 和 G1 对比

十四、面试时可以这样总结

你可以这样说：

CMS 是一款以响应时间优先为目标的老年代垃圾回收器，它采用标记-清除算法，主要流程包括初始标记、并发标记、重新标记和并发清理。其中并发标记和并发清理可以和用户线程同时执行，因此减少了 STW 时间。但是 CMS 存在内存碎片和浮动垃圾问题，当老年代空间不足或发生并发模式失败时，会退化为 Serial Old，触发长时间 Full GC。

然后说 G1：

G1 是一款面向整个堆的垃圾回收器，它把堆划分为多个大小相等的 Region，每个 Region 可以动态作为 Eden、Survivor、Old 或 Humongous 区。G1 可以根据用户设置的暂停时间目标，优先回收垃圾比例最高、收益最大的 Region。它的回收过程包括初始标记、并发标记、最终标记和混合回收。G1 通过复制存活对象到新的 Region，再整体清空旧 Region，减少了内存碎片问题，适合大堆内存、低延迟、可预测停顿时间的场景。

十五、你这份笔记需要改的几个点

你整体理解是对的，但有几个地方建议修正：

1. “对象消失”这个说法不太准确

你写：

可能会有些对象的引用关系变化，导致漏标(对象消失)

建议改成：

并发标记期间用户线程仍在运行，可能修改对象引用关系，导致标记结果不准确，因此需要重新标记来修正。

核心不是“对象消失”，而是引用关系变化导致标记结果需要修正。

2. “G1 不再分新生代和老年代”不够准确

建议改成：

G1 仍然保留分代思想，但物理上不再要求新生代和老年代是连续空间，而是由多个 Region 动态组成。

也就是说：

不是没有新生代和老年代 而是新生代和老年代不再是连续的大块内存

3. G1 的混合回收不是一次回收所有区域

你写得基本对，但要强调：

Mixed GC 不是把所有老年代都回收，而是选择一部分收益高的 Old Region 和整个年轻代一起回收。

也就是说，G1 是“挑着回收”。

4. G1 的暂停时间目标不是绝对保证

你写：

STW 的时间不能超过 200ms

建议改成：

G1 会尽量让 STW 时间接近或不超过设定目标，但不是绝对保证。

因为实际停顿时间受存活对象数量、堆大小、引用关系复杂度等因素影响。

一句话总结：

CMS 是“尽量并发，减少停顿”，但容易产生碎片和 Full GC；G1 是“分区管理，优先回收垃圾最多的区域”，可以更好地控制停顿时间并减少碎片。