垃圾收集器ParNew&CMS与底层标记三色标记算法

垃圾收集算法

• 分代收集理论
  • 将堆内存划分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
  • 年轻代使用复制算法（Copying），老年代使用标记清除（Mark-Sweep）或标记整理（Mark-Compact）。
• 复制算法
  • 内存对半分，存活对象复制到保留区，清空原区域。
  • 优点：高效处理朝生夕死对象。
  • 缺点：空间利用率低。
• 标记清除算法
  • 标记存活对象后清除未标记对象。
  • 缺点：
    1. 效率问题：大量对象需标记。
    2. 空间碎片化：导致无法分配大对象。
• 标记整理算法
  • 在标记清除基础上，将存活对象向一端移动，避免碎片化。
  • 适用于老年代。

垃圾收集器概述

• 垃圾收集器种类
  • 常见收集器包括 Serial、Parallel Scavenge、ParNew、CMS、G1、ZGC 等。
  • CMS 是面试重点；ZGC 和 G1 是未来趋势。
• 垃圾收集器与算法关系
  • 收集器是具体实现，垃圾收集算法是理论基础。
  • 不同收集器组合不同算法，例如 CMS 使用标记清除，G1 使用分区+标记整理/复制。

Serial 收集器

• 特点
  • 单线程执行 GC。
  • STW（Stop-The-World）期间所有用户线程暂停。
• 适用场景
  • 单核 CPU 或小内存环境（几十 MB 到几百 MB）。
• 优缺点
  • 优点：简单、易于理解。
  • 缺点：效率低，资源浪费严重。

Parallel Scavenge 收集器 28:32

• 特点
  • 多线程执行 GC。
  • 通过 -XX:ParallelGCThreads 配置并行线程数，默认与 CPU 核心数一致。
• 适用场景
  • 多核 CPU，中等及以上内存。
• 目标
  • 提高吞吐量（Throughput）。

ParNew 收集器

• 特点
  • 多线程版本的 Serial 收集器。
  • 可与 CMS 配合使用。
• 适用场景
  • 与 CMS 组合用于 JDK1.8 及之前版本。

CMS 收集器

• 全称
  • Concurrent Mark Sweep
• 特点
  • 并发执行 GC，减少 STW 时间。
  • 使用标记清除算法。
• 工作流程
  • 初始标记：STW，标记 GC Roots 直接关联对象。
  • 并发标记：与用户线程并发执行，标记整个堆中存活对象。
  • 重新标记：STW，修正并发标记期间变化的对象。
  • 并发清除：清除未标记对象。
  • 并发重置：清理标记信息，为下一轮 GC 做准备。
• 优点
  • 用户感知停顿时间短，适合大内存应用。
• 缺点
  • 浮动垃圾：并发阶段产生的新垃圾只能在下次 GC 清除。
  • 内存碎片：使用标记清除算法，易产生碎片。
  • Concurrent Mode Failure：并发失败时触发 Full GC，切换至 Serial Old，性能骤降。

CMS 核心参数

• 启用 CMS
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC
• 设置并发线程数
  • -XX:ConcGCThreads=...
• 启用压缩整理
  • -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
• 压缩周期
  • -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=...
• 老年代触发 GC 比例
  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=...

CMS 与 Parallel 对比

• Parallel 特点
  • 更关注吞吐量。
  • 所有 GC 阶段都 STW，整体耗时更短但用户体验差。
• CMS 特点
  • 更关注用户体验。
  • 虽总耗时长，但大部分阶段并发执行，STW 时间分散且短暂。

三色标记算法

• 三种颜色定义
  • 黑色：该对象引用的所有对象已扫描完毕。
  • 灰色：该对象被扫描，但部分引用未扫描。
  • 白色：未被扫描或不可达对象。
• 漏标问题
  • 场景：并发标记过程中对象引用关系发生变化。
  • 示例：A 引用 B，B 引用 D → B 引用断开，A 新增引用 D。
  • 结果：D 被误判为白色对象（即垃圾），可能被错误回收。
• 解决方案
  • 增量更新（Incremental Update）
    • 记录新增引用，在重新标记阶段重新扫描源头对象。
  • 原始快照（Snapshot At The Beginning, SATB）
    • 记录删除的引用，在重新标记阶段标记相关对象为黑色。

写屏障（Write Barrier）

• 作用
  • 在赋值操作前后插入逻辑，记录对象引用变化。
• 类型
  • 写前屏障（Pre-Write Barrier）
    • 用于 SATB，记录旧引用。
  • 写后屏障（Post-Write Barrier）
    • 用于增量更新，记录新引用。
• 源码示例
  • C++ 层级伪代码模拟写屏障行为。
  • 通过队列异步处理记录的引用，提升性能。