面试官试图狠狠从三大垃圾回收算法拷打到七大GC器

在最近的一次面试中，面试官问了我关于Java垃圾回收（Garbage Collection，GC）的相关问题，具体涉及到三种经典的垃圾回收算法以及分代垃圾回收器的实现细节。这篇文章将复盘这次面试内容，系统整理我的回答，并补充一些深入的思考。

一、垃圾回收算法详解

面试官首先让我介绍三种常见的垃圾回收算法：标记-清除（Mark-Sweep） 、标记-整理（Mark-Compact）和标记-复制（Copying）。以下是我的回答：

1. 标记-清除（Mark-Sweep）

• 原理：分为两个阶段。第一阶段是标记，从根对象（GC Roots）开始遍历，标记所有可达对象；第二阶段是清除，扫描整个堆，回收未被标记的对象（即垃圾）。
• 优点：实现简单，适合对象存活率较高的场景。
• 缺点 ：
  • 内存碎片：清除后会产生不连续的内存碎片，可能导致大对象无法分配内存。
  • 效率问题：标记和清除阶段都需要扫描整个堆，耗时较长。
• 应用场景：常用于老年代垃圾回收，比如早期的CMS收集器。

2. 标记-整理（Mark-Compact）

• 原理：在标记-清除的基础上增加整理阶段。标记可达对象后，将这些对象移动到堆的一端，压缩内存空间，清除剩余的垃圾。
• 优点 ：
  • 无碎片：整理后内存连续，适合大对象分配。
  • 空间利用率高：不会浪费零散内存。
• 缺点 ：
  • 性能开销：整理阶段需要移动对象并更新引用，增加了额外的时间成本。
  • 暂停时间长：整理过程通常需要暂停应用（Stop-The-World，STW）。
• 应用场景：适合老年代，尤其在内存空间紧张时，比如老年代的Full GC中常使用。

3. 标记-复制（Copying）

• 原理：将堆内存分为两个相等的区域（From和To）。标记可达对象后，将这些对象复制到To区域，然后清空From区域，交换From和To角色。
• 优点 ：
  • 无碎片：复制后内存连续，分配效率高。
  • 效率高：只需处理存活对象，适合存活对象少的场景。
• 缺点 ：
  • 空间浪费：需要两倍的内存空间，一半始终空闲。
  • 对象移动成本：复制对象需要更新所有引用。
• 应用场景：非常适合年轻代，因为年轻代对象存活率低，复制成本小，比如Eden和Survivor区域的Minor GC。

二、垃圾回收器：分代设计与实现

接着，面试官让我谈谈垃圾回收器（Garbage Collector），并要求从年轻代 和老年代的角度展开，特别提到CMS和G1收集器的特点以及它们在JDK中的主要应用版本。

1. 分代垃圾回收概述

Java堆内存分为年轻代 和老年代，基于"大部分对象朝生夕死"的特性设计：

• 年轻代：包括Eden区和两个Survivor区（S0和S1），存储新创建的对象。年轻代对象存活时间短，回收频繁，使用Minor GC。
• 老年代：存储长时间存活的对象，通常由Minor GC晋升而来。回收频率较低，使用Major GC或Full GC。

分代设计的核心是针对不同区域的特性选择合适的算法和收集器，优化性能。

2. 年轻代的垃圾回收器

年轻代主要使用标记-复制算法，因为对象存活率低，复制少量存活对象的成本较小。常见的年轻代收集器包括：

• Serial收集器 ：
  • 单线程，适合单核CPU或小型应用。
  • 特点：简单高效，但STW时间较长。
  • 使用场景：JDK 1.3及以后，Client模式下的默认收集器。
• ParNew收集器 ：
  • Serial的多线程版本，适合多核CPU。
  • 特点：并行执行Minor GC，常与CMS搭配使用。
  • 使用场景：JDK 1.4引入，广泛用于服务器端。
• Parallel Scavenge收集器 ：
  • 专注于吞吐量（Throughput），适合后台任务。
  • 特点：并行收集，支持自适应调节策略。
  • 使用场景：JDK 1.4引入，Server模式默认收集器之一。

3. 老年代的垃圾回收器

老年代对象存活率高，通常使用标记-清除 或标记-整理算法。以下是常见的收集器，重点分析CMS和G1：

Serial Old收集器

• 单线程，使用标记-整理算法。
• 特点：简单，适合内存小的场景，但暂停时间长。
• 使用场景：JDK 1.3及以后，常作为CMS的备选方案。

Parallel Old收集器

• Parallel Scavenge的老年代版本，使用标记-整理算法。
• 特点：多线程并行，强调吞吐量。
• 使用场景：JDK 1.6引入，与Parallel Scavenge搭配使用。

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

• 算法：标记-清除。
• 工作原理 ：
  1. 初始标记：标记GC Roots直接引用的对象，STW时间短。
  2. 并发标记：与应用线程并发，遍历对象图。
  3. 重新标记：修正并发标记中的错误，STW时间短。
  4. 并发清除：与应用线程并发，回收垃圾。
• 优点 ：
  • 低延迟：并发标记和清除减少了STW时间。
  • 适合响应时间敏感的应用，如Web服务。
• 缺点 ：
  • 内存碎片：标记-清除算法导致碎片，可能触发Full GC。
  • CPU敏感：并发阶段占用CPU资源。
  • 浮动垃圾：并发清除可能遗留垃圾。
• JDK版本 ：
  • JDK 1.4.2引入，JDK 5成熟，JDK 6广泛使用。
  • JDK 9标记为Deprecated，JDK 14移除。
• 使用场景：适合堆内存较大、延迟要求高的服务器端应用。

G1（Garbage First）收集器

• 算法：混合算法（标记-复制+标记-整理）。
• 工作原理 ：
  • 将堆划分为多个独立区域（Region），每个Region可以是Eden、Survivor或老年代。
  • 优先回收垃圾最多的Region（Garbage First）。
  • 包含年轻代GC （复制算法）和混合GC（回收年轻代+部分老年代）。
• 优点 ：
  • 可预测的暂停时间：支持设置最大暂停时间目标。
  • 无碎片：Region间复制和整理减少碎片。
  • 高吞吐量与低延迟平衡：适合大内存、多核环境。
• 缺点 ：
  • 复杂性高：内部实现复杂，调优成本高。
  • 内存开销：Region管理和记忆集（Remembered Set）占用额外空间。
• JDK版本 ：
  • JDK 6u14引入实验版本。
  • JDK 7u4正式商用，JDK 9成为默认收集器。
  • JDK 11及以后广泛使用，尤其在大规模应用中。
• 使用场景：适合大堆内存（>4GB）、高并发、低延迟需求的场景，如云计算和微服务。

4. CMS与G1的对比与特别之处

• CMS ：
  • 专注于低延迟，适合中小型堆（<4GB）。
  • 标记-清除算法导致碎片问题，需定期Full GC。
  • 在JDK 6-8时代是主流选择，但碎片和浮动垃圾问题限制了其在大规模场景的应用。
• G1 ：
  • 面向大堆和高并发，Region设计灵活。
  • 通过混合GC平衡吞吐量和延迟，适合现代分布式系统。
  • 取代CMS，成为JDK 9+的默认收集器，适应了多核CPU和大内存的趋势。

三、总结与反思

通过这次面试，我对垃圾回收算法和收集器的理解更加系统化。以下是我的一些反思：

1. 算法选择的关键：标记-清除适合存活对象多、回收少的场景；标记-复制适合存活对象少的场景；标记-整理则平衡了两者的需求。
2. 分代设计的智慧：年轻代和老年代的差异化策略极大提升了GC效率，理解其背后的"对象生命周期"假设非常重要。
3. CMS与G1的演进：CMS是低延迟的先驱，但碎片问题限制了其发展；G1则更适应现代硬件和应用场景，体现了GC技术的进步。
4. 版本背景：熟悉收集器在不同JDK版本中的演变（如CMS在JDK 9被废弃，G1在JDK 9成为默认）有助于理解技术选型的上下文。

这次面试让我意识到，GC不仅是技术细节，还涉及性能调优和应用场景的匹配。未来我会更关注G1的调优实践，以及ZGC、Shenandoah等新型收集器的特性。

希望这篇复盘对你理解Java GC有所帮助！如果有其他问题，欢迎留言讨论。