JVM垃圾收集器与三色标记算法详解

在Java 应用性能优化中，垃圾收集器的选择与调优是关键环节。特别是对于高并发、低延迟的应用，选择合适的垃圾收集器并合理配置参数，能显著提升系统性能。本文将深入解析垃圾收集器，特别是 ParNew 和 CMS 收集器，以及底层的三色标记算法。

一、垃圾收集算法理论

1. 分代收集理论

Java 堆内存被分为新生代和老年代，这是基于对象存活周期不同的假设：

• 新生代 ：对象存活率低（近 99% 对象在新生代死亡），适合使用复制算法
• 老年代 ：对象存活率高，不适合复制，适合标记-清除 或标记-整理算法

为什么需要分代：

• 通过分代，可以针对不同区域的特点选择最合适的收集算法
• 新生代复制算法效率高，老年代标记-整理避免碎片

2. 垃圾收集器选择原则

"直到现在为止还没有最好的垃圾收集器出现，更加没有万能的垃圾收集器，我们能做的就是根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器。"

二、垃圾收集器详解

1. Serial 收集器

• 特点：单线程，Stop The World
• 工作方式 ：
  • 新生代：复制算法
  • 老年代：标记-整理算法
• 适用场景：小型应用、桌面应用

2. Parallel Scavenge 收集器

• 特点：多线程，关注吞吐量（高效率利用 CPU）
• 工作方式 ：
  • 新生代：复制算法
  • 老年代：标记-整理算法
• 适用场景：注重吞吐量的系统（JDK8 默认收集器）

3. ParNew 收集器

• 特点：多线程，与 CMS 收集器配合使用
• 工作方式：新生代采用复制算法
• 适用场景：Server 模式下，与 CMS 配合使用

ParNew vs Parallel Scavenge：

• ParNew 可以与 CMS 配合使用，而 Parallel Scavenge 只能与 Parallel Old 配合使用

4. CMS 收集器

• 特点：以获取最短回收停顿时间为目标
• 工作流程 （四个阶段）：
  1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接引用的对象
  2. 并发标记：并发标记 GC Roots 可达对象
  3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间的变动
  4. 并发清理：并发清理未标记对象

为什么叫"并发"：

• CMS 是 HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器
• 从名字中的"Mark Sweep"可以看出，它实现了垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作

三、CMS 收集器详解

1. CMS 工作流程详解

阶段	线程	说明
初始标记	STW	速度很快，标记 GC Roots 直接引用的对象
并发标记	并发	从 GC Roots 的直接关联对象开始遍历整个对象图
重新标记	STW	修正并发标记期间的变动，主要用三色标记中的增量更新
并发清理	并发	GC 线程对未标记的区域做清扫

2. CMS 的优缺点

​优点​：

• 并发收集：垃圾收集线程与用户线程同时工作
• 低停顿：适合注重用户体验的应用

​缺点​：

• 对 CPU 资源敏感：会和服务抢资源
• 无法处理浮动垃圾：并发标记和清理期间产生的垃圾
• 产生空间碎片："标记-清除"算法导致
• 并发模式失败：并发标记和清理阶段出现 Full GC

3. CMS 关键参数

# 启用CMS
-XX:+UseConcMarkSweepGC

# 设置触发Full GC的阈值（默认92%）
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92

# Full GC后是否压缩
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

# 多少次Full GC后压缩（默认0，每次Full GC后都压缩）
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3

# CMS GC前启动一次Minor GC
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

# 初始标记多线程
-XX:+CMSParallelInitialMarkEnabled

# 重新标记多线程
-XX:+CMSParallelRemarkEnabled

四、三色标记算法

1. 三色标记原理

三色标记算法是解决并发标记中漏标问题的核心：

• 黑色：对象已被垃圾收集器访问过，且该对象的所有引用都已扫描
• 灰色：对象已被垃圾收集器访问过，但该对象上至少存在一个引用未扫描
• 白色：对象尚未被垃圾收集器访问过

初始状态：所有对象都是白色

​结束状态​：白色对象代表不可达

2. 漏标问题与解决方案

​漏标问题​：在并发标记过程中，对象引用发生变化，导致原本可达对象被标记为不可达

​解决方案​：

1. 增量更新（Incremental Update）
   • 当黑色对象插入新的指向白色对象的引用时，记录这个新引用
   • 重新扫描时，将黑色对象视为灰色
2. 原始快照（SATB）
   • 当灰色对象删除指向白色对象的引用时，记录这个删除
   • 重新扫描时，将灰色对象视为黑色

3. 写屏障实现

写屏障是实现三色标记的关键，通过在赋值操作前后加入处理：

void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
    pre_write_barrier(field); // 写屏障-写前操作
    *field = new_value;
    post_write_barrier(field, new_value); // 写屏障-写后操作
}

​增量更新实现​：

void post_write_barrier(oop* field, oop new_value) {
    remark_set.add(new_value); // 记录新引用的对象
}

​SATB 实现​：

void pre_write_barrier(oop* field) {
    oop old_value = *field;
    remark_set.add(old_value); // 记录原来的引用对象
}

4. 为什么 G1 用 SATB，CMS 用增量更新？

我的理解：

• SATB 相对增量更新效率更高（不需要重新深度扫描被删除引用对象）
• CMS 对增量引用的根对象会做深度扫描
• G1 因为很多对象位于不同的 region，重新深度扫描代价高

五、记忆集与卡表

1. 记忆集（Remember Set）

• 作用：避免在新生代做 GC Roots 可达性扫描时，对老年代进行全扫描
• 实现：记录从非收集区到收集区的指针集合

2. 卡表（Card Table）

• 实现：使用字节数组实现，每个元素对应一个卡页（512 字节）
• 工作方式 ：
  • 当对象引用发生变化时，通过写屏障更新卡表
  • GC 时，只扫描卡表中变脏的元素

​卡表维护​：

void pre_write_barrier(oop* field) {
    oop old_value = *field;
    if (old_value != null) {
        // 记录原来的引用对象
        CARD_TABLE[card_index] = 1;
    }
}

六、亿级流量电商系统 JVM 参数优化

1. 优化原则

"让短期存活的对象尽量都留在 Survivor 里，不要进入老年代，这样在 minor gc 的时候这些对象都会被回收，不会进到老年代从而导致 full gc。"

2. 关键参数

# 内存设置
-Xms3072M -Xmx3072M

# 新生代设置
-Xmn2048M

# Survivor区比例
-XX:SurvivorRatio=8

# 对象晋升老年代阈值
-XX:MaxTenuringThreshold=5

# 大对象阈值
-XX:PretenureSizeThreshold=1M

# 垃圾收集器
-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC

# CMS参数
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3

3. 参数优化效果

优化前	优化后	效果
频繁 Full GC（每 5 分钟 1 次）	每小时 1 次	Full GC 频率降低
响应时间 500ms	200ms	响应时间降低 60%
内存使用率 80%	60%	内存使用率降低

七、总结与建议

1. 垃圾收集器选择原则

• 低延迟：CMS、G1
• 高吞吐量：Parallel Scavenge、Parallel Old
• 大内存：G1、ZGC

2. 三色标记算法核心要点

• 三色：黑色、灰色、白色
• 漏标：并发标记时对象引用变化
• 解决方案：增量更新、SATB
• 写屏障：实现三色标记的关键

3. 亿级流量系统优化建议

1. 合理设置新生代大小：让短期存活对象留在 Survivor 区
2. 调整晋升阈值：避免对象过早进入老年代
3. 设置大对象阈值：避免大对象直接进入老年代
4. CMS 参数优化：避免频繁 Full GC

"垃圾收集器不是魔法，而是有规律可循的系统。理解了 CMS 的工作原理、三色标记算法，你就能在垃圾回收的优化道路上走得更远。"

实战建议清单

问题类型	诊断方法	解决方案
Full GC 频繁	GC 日志分析	优化新生代比例，减少对象进入老年代
停顿时间长	停顿时间监控	选择 CMS 或 G1 收集器
内存碎片多	内存使用率监控	设置-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
浮动垃圾多	CMS 日志分析	优化 CMS 触发阈值

​最后提醒​：在实施垃圾收集器优化前，务必在测试环境验证效果。一个错误的 JVM 参数可能导致生产环境严重问题，而正确的优化能带来 10 倍性能提升。

"当你能读懂 CMS 的工作流程、理解三色标记算法、掌握优化技巧，你就真正掌握了 Java 应用的垃圾回收。从源码到执行，这是一条充满智慧的道路。"