JVM(9)——详解Serial垃圾回收器

Serial 垃圾回收器是 JVM 最古老、最基础、最简单的垃圾回收器，也是理解其他更复杂回收器的基础。

一、Serial 回收器的定位与设计目标

1. 核心特点：单线程 (Single-Threaded)

   • 这是 Serial 回收器最根本的特征。无论是进行 垃圾标记 (Marking) 、清除 (Sweeping) 、复制 (Copying) 还是 整理 (Compacting) ，它都只使用一个单独的线程来执行所有垃圾回收工作。

2. 工作模式：Stop-The-World (STW)

   • 在进行垃圾回收时，它必须暂停所有应用线程 (Application Threads)。这意味着在 GC 期间，整个 Java 应用是完全停止响应的。

3. 设计目标：简单性与客户端/低资源环境

   • 简单性： 算法实现简单直接，代码量小，易于理解和维护。它是其他复杂回收器的基础。

   • 低内存/CPU 开销： 单线程工作意味着它自身消耗的内存（元数据）和 CPU 资源非常少。

   • 客户端模式 (Client Mode) 默认： 在 JDK 8 及之前的版本中，对于运行在 客户端模式 (Client Mode) 下的 JVM（通常指桌面 GUI 应用或小型应用），Serial 回收器是年轻代的默认回收器（老年代默认搭配 Serial Old）。这是因为桌面应用通常对短暂的停顿不那么敏感，且更看重 JVM 启动速度和资源占用。

4. 适用场景：

   • 运行在资源极其受限的环境（如嵌入式设备、微控制器）。

   • 单核 CPU 环境（多线程 GC 在此类环境没有优势）。

   • 小型堆内存（几十 MB 到一两百 MB）。

   • 对短暂停顿不敏感的应用（如简单的命令行工具、后台守护进程）。

   • 作为学习 JVM GC 原理的基础模型。

二、核心组件与算法

Serial 回收器通常指代两个具体的回收器实现，分别管理不同的代：

1. 年轻代：Serial 回收器 (Serial Collector)

   • 算法：复制算法 (Copying Algorithm)

   • 堆结构： 年轻代划分为一个较大的 Eden 区和两个较小的 Survivor 区 (From, To)。默认比例 Eden : Survivor = 8:1。

   • 回收过程 (STW)：

     1. 触发条件： Eden 区空间不足以分配新对象。

     2. STW： 暂停所有应用线程。

     3. 标记： 单 GC 线程从 GC Roots （栈引用、静态变量、JNI 引用等）开始，标记 Eden 区和当前 From Survivor 区中的存活对象。

     4. 复制： 单 GC 线程将标记出的存活对象复制 到 To Survivor 区。

        • 新对象直接在 Eden 区分配。

        • 对象在 Survivor 区之间每熬过一次 GC，年龄增加 1。

        • 达到晋升年龄阈值 (-XX:MaxTenuringThreshold) 的对象会被晋升 (Promote) 到老年代。

        • 如果 To Survivor 区空间不足以容纳所有存活对象，或者存活对象年龄过大，会直接晋升到老年代。

     5. 清空与交换： 单 GC 线程清空 Eden 区和刚使用完的 From Survivor 区。交换 From 和 To 的角色（下次 GC 时，当前的 To 变成新的 From）。

   • 特点： 算法简单高效，无内存碎片。STW 时间与存活对象数量成正比。对于小型堆和存活对象少的应用，停顿时间可以很短（几十毫秒）。

2. 老年代：Serial Old 回收器 (Serial Old Collector)

   • 算法：标记-整理算法 (Mark-Sweep-Compact Algorithm)

   • 回收过程 (STW)：

     1. 触发条件：

        • 显式调用 System.gc()。

        • 老年代空间不足（年轻代对象晋升失败，或大对象直接分配失败）。

        • 元空间 (Metaspace) / 永久代 (PermGen) 空间不足。

        • 在某些情况下，作为 CMS 或 G1 回收失败时的后备方案 (Promotion Failed 或 Concurrent Mode Failure 时触发的 Full GC)。

     2. STW： 暂停所有应用线程。

     3. 标记： 单 GC 线程从 GC Roots 出发，递归遍历整个老年代对象图，标记所有存活对象。

     4. 整理 (滑动压缩)：

        • 计算位置： 单 GC 线程计算每个存活对象在整理后应该移动到的目标地址（通常是堆内存空间的起始端开始紧密排列）。

        • 更新引用： 单 GC 线程更新所有指向被移动对象的引用（指针），确保应用恢复后能找到正确的新位置。这一步需要遍历整个对象图，非常耗时。

        • 移动对象： 单 GC 线程将存活对象复制（移动）到计算好的新地址。

     5. 清除： 单 GC 线程回收掉整理后边界以外的所有空间（即死亡对象占用的空间）。

   • 特点：

     • 解决内存碎片： 整理后得到连续的大块空闲空间，消除了内存碎片。

     • STW 时间长： 整个标记-整理-更新引用过程由单线程 完成，对于大堆 或存活对象多 的老年代，停顿时间会非常长（几秒甚至几十秒），对应用响应性影响巨大。

     • 可靠性高： 作为最简单、最"笨重"的回收器，它通常是其他回收器失败时的最后保障。

三、核心特性与优劣势

• 优势：

  1. 极低的内存开销： 自身数据结构简单，几乎不占用额外的堆内存（不像 G1 需要 RSet，CMS 需要卡表等）。

  2. 极低的 CPU 开销 (GC 线程本身)： 仅使用一个 GC 线程，在非 GC 期间没有额外线程消耗 CPU。

  3. 算法简单可靠： 实现简单，逻辑清晰，是学习 GC 原理的绝佳起点。作为后备方案非常稳定。

  4. 无内存碎片 (Serial Old 整理后)： 老年代回收后空间连续。

  5. 适合微型/嵌入式环境： 在资源极其受限（内存小、CPU 单核）的场景下是唯一或最佳选择。

• 劣势：

  1. 长时间的 STW 停顿： 这是最大的缺点！单线程 处理整个堆（尤其是老年代）的垃圾回收工作，导致 GC 停顿时间与堆大小、存活对象数量成正比。对于现代动辄几 GB 甚至更大的堆，Serial Old 的 Full GC 停顿时间完全不可接受。

  2. 完全暂停应用： 在 GC 期间，应用完全停止服务，无法响应任何请求。这对需要交互性或低延迟的应用（Web 服务、GUI 应用）是致命的。

  3. 无法利用多核优势： 在现代多核 CPU 成为标配的情况下，Serial 回收器无法并行化利用多个核心来加速 GC 过程，造成了巨大的硬件资源浪费。

  4. 吞吐量相对较低： 虽然 GC 自身开销小，但长时间的 STW 直接减少了应用运行的时间，整体吞吐量通常低于 Parallel 或 G1 等多线程回收器（在堆较大时尤其明显）。

四、关键配置参数

• 启用 Serial 回收器 (JDK 8 及之前 Client 模式默认)：

  • 年轻代： -XX:+UseSerialGC (显式指定)

  • 老年代： Serial Old 会自动搭配启用。

• JDK 9+ 的变化：

  • 客户端/服务器模式区分逐渐淡化。G1 成为所有平台的默认回收器。

  • 但 Serial 和 Serial Old 仍然存在，可通过 -XX:+UseSerialGC 显式启用。

• 其他相关参数 (通常使用默认值即可)：

  • -XX:SurvivorRatio： Eden 与 Survivor 区的比例 (默认 8)。

  • -XX:MaxTenuringThreshold： 对象晋升老年代的最大年龄 (默认 15)。

  • -Xmn： 设置年轻代大小 (覆盖 -XX:NewRatio)。

  • -XX:NewRatio： 老年代与年轻代的比例 (默认在 Client 模式下为 2，即 老年代:年轻代=2:1)。

五、使用场景总结

1. 历史/默认场景： JDK 8 及之前客户端模式 (Client Mode) 下年轻代的默认回收器。

2. 资源极端受限环境： 嵌入式系统、IoT 设备、功能手机等内存 (RAM) 极小 (几十MB) 且 CPU 为单核的环境。

3. 简单/非交互式应用： 命令行工具、一次性批处理脚本、后台守护进程等对短暂停顿完全不敏感的小型应用。

4. 后备方案： 当其他更先进的回收器 (如 CMS, G1) 发生失败 (Concurrent Mode Failure, Promotion Failed) 时，JVM 会退化使用 Serial Old 进行兜底的 Full GC。

六、与其它回收器的对比

特性	Serial (Young) / Serial Old (Old)	Parallel Scavenge (Young) / Parallel Old (Old)	CMS (Old)	G1
线程模型	单线程	多线程 (并行)	多线程 (并发 + 并行)	多线程 (并行 + 并发)
STW	完全 STW	完全 STW	部分 STW (初始标记、重新标记)	部分 STW (Young GC, Mixed GC 阶段)
目标	简单、低开销、小堆、Client 模式	高吞吐量	低延迟 (老年代)	可预测低停顿、高吞吐、大堆
算法	复制 (Young) / 标记-整理 (Old)	复制 (Young) / 标记-整理 (Old)	标记-清除 (Old)	复制 (Region 间)
碎片	无 (Old 整理后)	无 (Old 整理后)	有 (需 Full GC 整理)	无
适用堆	极小堆 (MB 级)	中小型 -> 大型堆	中小型堆 (GB 级)	大堆 (GB -> TB 级)
适用场景	嵌入式、Client 应用、后备	后台计算、批处理	Web 服务 (历史方案)	主流服务器应用 (现代默认)
JDK 默认	Client Mode (<=JDK8)	Server Mode (<=JDK8)	无	>= JDK9
CPU 利用	低 (单核)	高 (并行)	中高 (并发+并行，争抢 CPU)	高 (并行+并发)

七、总结

Serial 垃圾回收器是 JVM GC 的基石和起点。它的核心价值在于：

1. 极致的简单性： 单线程 STW 模型，算法清晰易懂。

2. 最小的资源开销： 内存和 CPU 占用极低。

3. 微/嵌入式场景的适用性： 在资源受限环境中不可或缺。

4. 可靠的后备： 作为其他先进回收器失败时的安全网。

然而，其单线程 和完全 STW 的本质，使得它在面对现代多核处理器和大内存堆的应用需求时，停顿时间过长 的缺点暴露无遗，完全不适合需要低延迟或高吞吐的服务器端应用。