谈谈HotSpot JVM 中的不同垃圾回收器

理解 HotSpot JVM 中的不同垃圾回收器（如 CMS、G1 和 ZGC）的区别，需要深入了解它们的设计原理、工作方式和应用场景。以下是对这三个垃圾回收器的简要概述以及一个示例 Java 程序，虽然示例程序本身不能直接展示垃圾回收器的内部机制，但可以帮助观察不同垃圾回收器的行为。

垃圾回收器概述

1. CMS (Concurrent Mark-Sweep)

• 设计目标：最小化停顿时间，适合需要低延迟的应用。
• 工作原理：

• 初始标记（Initial Marking）：标记 GC Roots 能直接关联到的对象。
• 并发标记（Concurrent Marking）：并发标记可达对象。
• 重新标记（Remark）：修正并发标记期间的变化。
• 并发清除（Concurrent Sweeping）：并发清除未标记的对象。

• 缺点：对内存碎片比较敏感，可能会因为无法找到连续空间而导致 Full GC。

2. G1 (Garbage-First)

• 设计目标：替代 CMS，实现可预测的低停顿时间，同时减少内存碎片。
• 工作原理：

• 将堆划分为多个大小相同的区域（Region）。
• 采用并发标记-整理算法（Mark-Compact），以尽量减少垃圾收集停顿时间。
• 分为四个阶段：初始标记、并发标记、最终标记和筛选回收（Evacuation）。

• 优点：更好地管理大堆内存，减少 Full GC 的发生。

3. ZGC

• 设计目标：实现几乎无停顿的垃圾回收，停顿时间不超过 10ms。
• 工作原理：

• 采用着色指针（Colored Pointers）来追踪对象。
• 并发进行所有的垃圾回收工作，几乎不需要停顿应用线程。
• 支持超大堆内存，停顿时间与堆大小无关。

• 优点：极低停顿时间，适合超大内存和低延迟应用。

示例 Java 程序

以下是一个简单的 Java 程序，可以用来观察不同垃圾回收器的行为。你可以通过 JVM 参数指定使用哪种垃圾回收器。

java复制代码
import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  
public class GCDemo {  
private static final int SIZE = 1000000;  
public static void main(String[] args) {  
        List<Object> objects = new ArrayList<>();  
// 创建大量对象  
for (int i = 0; i < SIZE; i++) {  
            objects.add(new Object());  
if (i % 100000 == 0) {  
                System.out.println("Created " + i + " objects.");  
// 模拟一些工作，帮助观察 GC 行为  
try {  
                    Thread.sleep(50);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    Thread.currentThread().interrupt();  
                }  
            }  
        }  
        System.out.println("All objects created.");  
// 保持程序运行一段时间，观察 GC 行为  
try {  
            Thread.sleep(5000);  
        } catch (InterruptedException e) {  
            Thread.currentThread().interrupt();  
        }  
        System.out.println("Program ends.");  
    }  
}

运行示例

使用不同的垃圾回收器运行这个程序，观察输出和性能：

1. 使用 CMS

sh复制代码
java -XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms512m -Xmx512m GCDemo

1. 使用 G1

sh复制代码
java -XX:+UseG1GC -Xms512m -Xmx512m GCDemo

1. 使用 ZGC

sh复制代码
java -XX:+UseZGC -Xms512m -Xmx512m GCDemo

观察和分析

通过 JVM 自带的日志（可以加上 -Xlog:gc* 参数来获取详细的 GC 日志），你可以观察到不同垃圾回收器的行为：

• CMS 会显示初始标记、并发标记、重新标记和并发清除等阶段。
• G1 会显示初始标记、并发标记、最终标记和筛选回收等阶段。
• ZGC 会显示并发标记、并发整理等阶段，并且停顿时间非常短。

总结

不同的垃圾回收器有不同的设计目标和实现方式，选择合适的垃圾回收器对应用的性能至关重要。CMS 已经被标记为过时，G1 是目前的主流选择，而 ZGC 提供了极低停顿时间的垃圾回收解决方案，适合超大内存和极低延迟要求的应用。通过实际运行和观察日志，可以更好地理解它们的行为和特性。