JVM 垃圾收集器ParNew&CMS与三色标记算法

一、垃圾收集算法

1. 分代收集理论

核心思想：根据对象存活周期不同，将 Java 堆分为新生代和老年代，适配不同垃圾收集算法
分代依据 ：
- 新生代：对象存活时间短，每次 GC 大量对象（近 99%）回收，适合复制算法
- 老年代：对象存活概率高，无额外空间担保，适合标记 - 清除 / 标记 - 整理算法
性能差异：标记 - 清除 / 标记 - 整理算法比复制算法慢 10 倍以上

2. 三大基础垃圾收集算法

（1）标记 - 复制算法

原理：将内存分为大小相等的两块，每次使用一块；内存耗尽时，复制存活对象到另一块，清空原块
适用场景：新生代（Serial、ParNew、Parallel Scavenge 收集器）
优点：效率高，无内存碎片
缺点：内存利用率低（仅 50%）

（2）标记 - 清除算法

原理：
1. 标记阶段：标记存活对象（或需回收对象）
2. 清除阶段：统一回收未标记（或已标记）对象
适用场景：老年代（CMS 收集器）
优点：实现简单
缺点：
1. 效率低（标记对象过多时）
2. 产生大量不连续内存碎片

（3）标记 - 整理算法

原理：标记阶段与标记 - 清除一致，后续将所有存活对象向一端移动，清理边界外内存
适用场景：老年代（Serial Old、Parallel Old 收集器）
优点：无内存碎片，内存利用率高
缺点：增加对象移动开销，效率低于复制算法

3. 算法对比总结

算法	优点	缺点	适用代际
标记 - 复制	效率高、无碎片	内存利用率低	新生代
标记 - 清除	实现简单、无需移动	效率低、产生碎片	老年代
标记 - 整理	无碎片、利用率高	效率低、有移动开销	老年代

二、垃圾收集器

1. 收集器分类与核心特性

（1）新生代收集器

收集器	线程模型	算法	核心特点	参数配置
Serial	单线程	标记 - 复制	简单高效、STW 时间长	-XX:+UseSerialGC
ParNew	多线程	标记 - 复制	可与 CMS 配合、多线程并发	-XX:+UseParNewGC
Parallel Scavenge	多线程	标记 - 复制	注重吞吐量、自适应调节	-XX:+UseParallelGC

（2）老年代收集器

收集器	线程模型	算法	核心特点	参数配置
Serial Old	单线程	标记 - 整理	单线程、作为 CMS 后备	-XX:+UseSerialOldGC
Parallel Old	多线程	标记 - 整理	注重吞吐量、Parallel 配套	-XX:+UseParallelOldGC
CMS	并发	标记 - 清除	低停顿、并发收集	-XX:+UseConcMarkSweepGC

2. 重点收集器详解

（1）Serial 收集器（串行收集器）

线程模型：单线程（GC 线程 + STW 所有用户线程）
算法实现：新生代复制算法，老年代标记 - 整理算法
优点：无线程交互开销，单线程效率高
缺点：STW 时间长，不适用于多核服务器
适用场景：客户端应用、小型程序

（2）Parallel 系列收集器（吞吐量优先）

Parallel Scavenge（新生代）
- 多线程收集，默认线程数 = CPU 核数（可通过 - XX:ParallelGCThreads 调整）
- 核心目标：吞吐量（用户代码运行时间 / CPU 总时间）
- 支持自适应调节（自动优化停顿时间 / 吞吐量）
Parallel Old（老年代）
- 多线程 + 标记 - 整理算法
- JDK8 默认老年代收集器
- 适用场景：注重吞吐量、CPU 资源敏感的服务

（3）ParNew 收集器（CMS 配套）

本质是 Parallel Scavenge 的多线程版本，唯一能与 CMS 配合的新生代收集器
支持多线程并发收集，STW 时间比 Serial 短
适用场景：Server 模式、需与 CMS 配合的服务

（4）CMS 收集器（低停顿优先）

核心目标：最短回收停顿时间（用户体验优先）
线程模型：并发收集（垃圾收集线程与用户线程同时运行）
算法实现：标记 - 清除算法

初始标记：STW，记录 GC Roots 直接引用对象（速度快）
并发标记：无 STW，遍历对象图（耗时久，与用户线程并发）
重新标记：STW，修正并发标记的漏标（比初始标记久，远短于并发标记）
并发清理：无 STW，清理未标记对象（新对象标记为黑色）
并发重置：重置标记数据

优点：并发收集、低停顿
缺点：
1. CPU 资源敏感（与服务抢资源）
2. 产生浮动垃圾（需下次 GC 清理）
3. 内存碎片（可通过参数优化）
4. 可能出现 Concurrent Mode Failure（触发 Serial Old 回收）
核心参数 ：
- -XX:ConcGCThreads：并发 GC 线程数
- -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC 后整理碎片
- -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：老年代使用率阈值（默认 92%）
- -XX:+CMSScavengeBeforeRemark：Remark 前触发 Minor GC

3. 收集器选择原则

无万能收集器，需根据场景选择：
- 客户端 / 小型应用：Serial + Serial Old
- 吞吐量优先：Parallel Scavenge + Parallel Old
- 低停顿 / 用户体验优先：ParNew + CMS
- 大内存（>4G）+ 低停顿：G1/ZGC/Shenandoah（扩展）

三、底层核心机制

1. 三色标记算法（并发标记核心）

（1）核心概念

标记规则 ：按对象访问状态分为三种颜色：
- 黑色：已访问，且所有引用已扫描（安全存活，不指向白色对象）
- 灰色：已访问，但存在未扫描引用
- 白色：未访问（分析结束后仍为白色则需回收）
核心问题 ：并发标记时，用户线程修改对象引用导致 "多标" 或 "漏标"

（2）问题解决方案

多标（浮动垃圾） ：
- 原因：并发标记中，GC Roots 销毁导致部分对象失去引用但已标记
- 影响：不影响正确性，需下次 GC 清理
- 处理：新对象直接标记为黑色（本轮不清理）
漏标（严重 bug） ：
- 原因：并发标记中，对象引用关系变化导致部分可达对象未标记
- 解决方案：
  1. 增量更新（CMS 使用）：黑色对象新增指向白色对象的引用时，记录引用并重新扫描
  2. 原始快照（SATB，G1/Shenandoah 使用）：灰色对象删除指向白色对象的引用时，记录引用并重新扫描

（3）实现机制：读写屏障

写屏障 ：赋值操作前后插入处理逻辑（AOP 思想）
- 增量更新：post_write_barrier记录新引用对象
- SATB：pre_write_barrier记录旧引用对象
读屏障：读取成员变量前插入处理逻辑（ZGC 使用），记录读取的对象
代码模型：

// 写屏障示例
void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
pre_write_barrier(field); // SATB记录旧值
*field = new_value;
post_write_barrier(field, new_value); // 增量更新记录新值
}

// 读屏障示例
oop oop_field_load(oop* field) {
pre_load_barrier(field); // 记录读取对象
return *field;
}

2. 记忆集与卡表（跨代引用优化）

（1）核心问题

新生代 GC 时，需扫描老年代中指向新生代的跨代引用（直接扫描老年代效率低）

（2）记忆集（Remember Set）

数据结构：记录从非收集区到收集区的指针集合
作用：避免扫描整个非收集区，仅需处理记忆集中的跨代引用

（3）卡表（Card Table）

实现方式：字节数组CARD_TABLE[]，每个元素对应 512 字节（2^9）的 "卡页"
标记规则：卡页中存在跨代引用时，对应元素设为 1（变脏），否则为 0
维护机制：通过写屏障触发卡表更新

四、JVM 参数优化实战（ParNew+CMS）

1. 亿级流量订单系统场景

硬件配置：4 核 8G 服务器，JVM 分配 4G 内存
业务特征：每秒产生 60MB 对象，大促峰值 300 单 / 秒
核心目标：减少 Full GC 频率，控制 STW 时间

2. 优化后参数配置

复制代码

-Xms3072M -Xmx3072M  # 堆内存固定3G（避免动态扩容）
-Xmn2048M             # 新生代2G（占堆66.7%，减少Minor GC频率）
-Xss1M                # 线程栈大小
-XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M  # 元空间固定
-XX:SurvivorRatio=8   # Eden:S0:S1=8:1:1
-XX:MaxTenuringThreshold=5  # 对象5次Minor GC后进入老年代
-XX:PretenureSizeThreshold=1M  # 1M以上大对象直接进入老年代
-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC  # 启用ParNew+CMS
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92  # 老年代使用率92%触发Full GC
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection  # Full GC后整理碎片
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3  # 3次Full GC后整理一次

3. 优化思路解析

新生代扩容：减少 Minor GC 次数，避免对象频繁进入老年代
调整对象晋升年龄：短期存活对象（几秒内）在 Minor GC 中回收
大对象直接进入老年代：避免新生代复制开销
CMS 参数优化：平衡 Full GC 频率与碎片整理开销