谈谈HotSpot JVM 中的不同垃圾回收器

简介: 【10月更文挑战第5天】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。

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。
  1. 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。
  1. 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。

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