JVM面试题——垃圾收集器

[Serial / Serial Old](#Serial / Serial Old)

ParNew

[Parallel / Parallel Old](#Parallel / Parallel Old)

[CMS（Concurrent Mark Sweep）](#CMS（Concurrent Mark Sweep）)

G1收集器

[ZGC 简介](#ZGC 简介)

垃圾收集器对比与选择

Serial / Serial Old

定位：最古老、最稳定的单线程串行收集器，全程 STW。

算法：

新生代：复制算法
老年代：标记 - 压缩算法

特点：简单稳定，适合客户端 / 单核环境；停顿时间长，不适合高并发服务。

参数：-XX:+UseSerialGC

ParNew

定位：Serial 的多线程并行版本，早期配合 CMS 的新生代收集器。
算法：
- 新生代：复制算法（多线程并行）
- 老年代：串行（配合 Serial Old 或 CMS）、标记 - 压缩算法
特点：多线程并行回收，比 Serial 更快；仍需 STW；是 JDK 8 前唯一能与 CMS 配合的新生代收集器。
参数：
- -XX:+UseParNewGC 启用 ParNew
- -XX:ParallelGCThreads 限制 GC 线程数

Parallel / Parallel Old

ParNew收集器的缺点是:无法自定义线程的数量，Parallel是对ParNew的改进。Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本。

定位：注重吞吐量的并行收集器，JDK 8 默认收集器。
算法：
- 新生代（Parallel Scavenge）：复制算法
- 老年代（Parallel Old）：标记 - 压缩算法（JDK 6+ 提供）
特点：
- 多线程并行回收，追求高吞吐量；
- 支持自适应调节：动态调整 Eden/Survivor 比例、晋升年龄等；
- 适合后台计算型服务，对响应时间要求不高。
参数：
- -XX:+UseParallelGC 启用 Parallel Scavenge
- -XX:+UseParallelOldGC 启用 Parallel Old

CMS（Concurrent Mark Sweep）

定位：追求低停顿的并发收集器，适合互联网 / 响应敏感型服务。
核心目标：最短回收停顿时间，提升用户体验。
算法：标记 - 清除算法（Mark-Sweep）

工作流程（4 阶段）

初始标记：STW，仅标记 GC Roots 直接关联的对象，速度极快。
并发标记：与用户线程并行，遍历 GC Roots 引用链，耗时最长。
重新标记：STW，修正并发标记期间因业务线程运行导致的标记变动，停顿比初始标记稍长。
并发清除：与用户线程并行，清理死亡对象。耗时第二长。

核心特点

STW 仅发生在初始标记和重新标记，并发阶段不影响用户线程，整体停顿极短；
预处理回收：需在老年代用尽前完成回收，否则会并发失败触发 Full GC。

优缺点

优点	缺点
并发收集、低停顿	产生大量内存碎片
与用户线程并行执行	并发阶段占用 CPU，降低吞吐量
适合响应敏感型服务	无法处理浮动垃圾，需预留内存空间

关键参数

-XX:+UseConcMarkSweepGC 启用 CMS
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection Full GC 后进行碎片整理（会导致 STW 变长）
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 设置多少次 Full GC 后进行一次碎片整理
-XX:ParallelCMSThreads 设置 CMS 线程数（约等于 CPU 核心数）

G1收集器

定位：JDK 9+ 默认收集器，目标是替代 CMS，兼顾低延迟与高吞吐量。
核心设计 ：将堆划分为多个大小相等的 Region（1M~32M，2 的幂次方） ，新生代和老年代不再物理隔离，而是由多个 Region 组成；新增 Humongous（H） 区域存储巨型对象（超过 Region 大小 50%，直接在新的一个或多个连续region中分配，并标记为H）。

核心特点

并行与并发：充分利用多核 CPU 缩短 STW 时间，部分阶段可与用户线程并发执行。
分代收集：保留分代概念，可独立管理新生代和老年代，无需配合其他收集器。
空间整合 ：整体基于标记 - 压缩算法，局部基于复制算法，不会产生内存碎片。
可预测停顿 ：允许用户指定 MaxGCPauseMillis（垃圾收集上的时间不得超过N毫秒），在目标时间内优先回收垃圾最多的 Region（Garbage First）。
Remembered Set 优化：通过 RS 记录跨 Region 引用，避免全堆扫描，大幅提升效率。

工作流程（4 阶段）

初始标记：STW，标记 GC Roots 直接关联的对象，速度快。
并发标记：与用户线程并行，进行可达性分析，遍历引用链。同时通过写屏障更新 RS。
最终标记 ：STW，修正并发标记期间的变动，合并所有 Region 的 Remembered Set 数据，确保标记结果准确。
筛选回收：STW，对各 Region 按「回收价值 / 成本」排序，根据目标停顿时间选择回收区域，用复制算法清理垃圾，保证停顿可控。

关键参数

-XX:+UseG1GC 启用 G1
-XX:G1HeapRegionSize 指定 Region 大小（1M~32M，2 的幂次方）
-XX:MaxGCPauseMillis 设置目标最大 GC 停顿时间（毫秒）
-XX:G1NewSizePercent 设置新生代初始占比（默认 5%）
-XX:G1MaxNewSizePercent 设置新生代最大占比（默认 60%）

三色标记算法（并发标记核心）

使用可达性分析算法判断对象是否可以被回收三色标记算法标记出来哪些对象可以被回收

基本概念

白色：未被访问过的对象（垃圾）
灰色：已被访问，但引用的对象未全部扫描
黑色：已被访问，且引用的对象全部扫描完毕（存活）

完整流程

初始状态 ：所有对象都是白色，只有 GC Roots 是根节点。

初始标记阶段：

把所有 GC Roots 直接引用的对象 （A、B、E）标记为灰色；
将这些灰色对象放入待处理队列；
GC Roots 本身标记为黑色（表示根节点已处理完成）。

遍历标记阶段

循环从「待扫描队列」中取出灰色对象，执行以下操作：

遍历当前灰色对象的所有直接引用子对象：
- 若子对象为白色 → 标记为灰色，并加入「待扫描队列」；
- 若子对象为灰色 / 黑色 → 无需处理；
当前灰色对象的所有子对象扫描完成后，将其标记为黑色；
重复上述步骤，直到「待扫描队列」为空。

最终结果：

仍为白色的对象（G）：无法被 GC Roots 访问到 → 判定为垃圾对象，可以被回收。
标记为黑色的对象：可被 GC Roots 访问到 → 存活对象，保留。

并发标记问题与解决方案

问题	描述	解决方案
浮动垃圾	已标记为存活的对象，在并发标记期间变为垃圾，本次 GC 不会清理，留待下次处理	无需处理，下次 GC 自动回收
漏标（错杀）	仍被引用的对象被误判为垃圾，导致空指针异常	打破两个条件之一：1. 增量更新（CMS）：写屏障记录黑色对象新增的白色引用，重新标记时重新扫描2. 原始快照（SATB，G1）：写屏障记录灰色对象断开的白色引用，将其标记为黑色，当作浮动垃圾留待下次处理

ZGC 简介

版本：JDK 11 引入，JDK 15+ 正式转正。
定位：超低延迟 垃圾收集器，目标是将停顿时间控制在 亚毫秒级（<10ms），支持 TB 级大内存。
核心技术：染色指针（Colored Pointers），将标记信息存在对象指针中，无需修改对象头，实现并发标记与整理。
适用场景：对延迟极度敏感的服务（如金融、实时通信），否则优先选择 G1。

垃圾收集器对比与选择

回收器搭配与版本变化

新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
老年代收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS
整堆收集器：G1（独立管理新生代 + 老年代）
版本废弃：
- JDK 9：废弃 ParNew
- JDK 14：废弃 CMS

可搭配组合

新生代收集器	可搭配的老年代收集器
Serial	Serial Old / CMS
ParNew	Serial Old / CMS
Parallel Scavenge	Serial Old / Parallel Old

核心回收器对比表

收集器组合	关注点	核心优化	适用场景
Serial/Serial Old	简单稳定	单线程串行	客户端、单核环境
Parallel/Parallel Old	吞吐量	自适应调节、多线程并行	后台计算型服务、JDK 8 默认
ParNew + CMS	低停顿	并发标记（仅初始标记 / 重新标记 STW）	互联网 / 响应敏感型服务（JDK 8 前）
G1	平衡低延迟与吞吐量	Region 划分 + Remembered Set + 可预测停顿	JDK 9+ 默认，通用型服务
ZGC	超低延迟	染色指针（标记存于指针）	对延迟要求极高、超大内存场景

选择策略

Serial 单线程，Parallel 重吞吐，CMS 求低停，G1 靠 Region+RS 控停顿，ZGC 极致低延迟。

客户端程序 ：Serial + Serial Old（简单稳定，适合单核 / 桌面应用）
吞吐量优先 ：Parallel Scavenge + Parallel Old（追求 CPU 利用率，适合后台计算、大数据场景）
响应时间优先（JDK 8 前） ：ParNew + CMS（低停顿，适合互联网网站、B/S 服务）
通用场景（JDK 9+） ：G1（平衡延迟与吞吐量，无内存碎片，可控制停顿时间）
极致低延迟 ：ZGC（亚毫秒级停顿，适合金融、实时通信等超敏感场景）