【Java垃圾回收器全面对比】：Serial到ZGC，谁更适合你的应用？

# 1. Java垃圾回收器概述

在Java语言中，内存管理是自动完成的，这主要得益于垃圾回收器（Garbage Collector，简称GC）。Java垃圾回收器是Java虚拟机（JVM）的一个重要组成部分，其职责是监控程序中不再使用的对象，并释放这些对象所占用的内存空间，以便让系统重新使用。

## Java垃圾回收机制简介

垃圾回收机制的基本原理是：从根对象（如JVM栈中引用的对象、静态属性引用的对象）开始扫描，查看哪些对象是可达的（即应用程序还有可能使用的），不可达的对象则判定为可以被回收的对象。

## 垃圾回收器的分类与用途

JVM提供了多种垃圾回收器，每种都有其特定的应用场景和优化目标。常见的垃圾回收器包括Serial、Parallel、CMS（并发标记清除）、G1（Garbage-First）以及最新的ZGC与Shenandoah。选择合适的垃圾回收器对于保持程序的高性能至关重要。

## 选择垃圾回收器的考量因素

开发者在选择垃圾回收器时，需要考虑应用程序的特点，如内存大小、吞吐量要求、延迟敏感性等因素。不同的垃圾回收器在这些方面各有优劣，了解它们的工作原理和适用场景，对于合理配置垃圾回收器具有指导意义。

# 2. Serial和Serial Old垃圾回收器

## 2.1 Serial垃圾回收器的理论基础

### 2.1.1 单线程收集的特点与适用场景

Serial垃圾回收器是Java虚拟机（JVM）中最古老的垃圾回收器之一，它使用单线程进行垃圾收集工作。它的主要特点是简单高效，因为它只需要较小的内存空间和较低的内存开销。Serial收集器在进行垃圾回收时会暂停其他所有线程，这种“stop-the-world”行为在单核处理器和小型应用中几乎感觉不到，但在多核处理器和大型应用中可能会引起明显的停顿。

Serial垃圾回收器特别适用于单线程环境和小型应用，例如一些桌面应用或者小型的后台服务。在这些场景下，Serial收集器的单线程收集机制可以有效地管理内存，而且由于其简单性，它几乎没有额外的内存开销。

### 2.1.2 工作原理与控制参数

Serial垃圾回收器在执行主要的垃圾回收（Major GC）时会进入一个单线程的复制阶段，这个阶段会将存活的对象从一个内存区域复制到另一个内存区域，同时进行压缩以减少内存碎片。

Serial收集器可以通过以下JVM参数进行控制：

- `-XX:+UseSerialGC`: 启用Serial垃圾回收器
- `-XX:+UseSerialGC` 和 `-XX:+UseSerialOldGC`: 启用Serial和Serial Old垃圾回收器组合使用

尽管Serial收集器的暂停时间可能在某些应用中不可接受，但在小型应用或者资源受限的环境中，它仍然是一个非常轻量级的选择。

## 2.2 Serial Old垃圾回收器的实践应用

### 2.2.1 老年代的单线程收集机制

Serial Old垃圾回收器是Serial垃圾回收器的老年代版本，它同样采用单线程收集算法。它在老年代空间满了之后触发，执行Mark-Sweep-Compact操作。首先它标记所有存活的对象，然后清理所有未被标记的对象，最后通过“Compact”过程整理内存，消除内存碎片。

这个过程也是“stop-the-world”的，意味着所有的应用线程都会被暂停直到垃圾回收过程完成。在现代多核处理器的系统中，这样的停顿时间可能会对应用程序的响应性产生影响。

### 2.2.2 在性能敏感的应用中的调优实例

在性能敏感的应用中，通常不建议使用Serial垃圾回收器，因为它的停顿时间可能不符合应用对响应时间的要求。然而，在一些特定情况下，如果应用的性能主要受到其他因素的限制，比如硬件能力、网络延迟等，那么可以考虑使用Serial收集器。

在性能调优时，可以使用以下策略：

- 仔细监控应用性能，尤其是GC引起的停顿时间。
- 调整堆大小来优化Serial垃圾回收器的性能。例如，可以通过`-Xms`和`-Xmx`参数来设置初始堆大小和最大堆大小。
- 如果需要对停顿时间进行更细致的控制，可以考虑调整`-XX:MaxGCPauseMillis`参数，来设定期望的最大停顿时间。

在某些极端案例中，例如资源非常有限的嵌入式系统，Serial垃圾回收器可能仍然是最佳选择。但是，对于大多数服务器端应用来说，Serial垃圾回收器并不适合。

graph LR
A[开始GC] --> B[标记存活对象]
B --> C[清理未标记对象]
C --> D[压缩整理内存]
D --> E[结束GC]

上述流程图展示了Serial Old垃圾回收器在老年代空间满时的处理流程。此流程为单线程操作，尽管在特定情况下能提供稳定的性能，但在多线程应用环境中通常不推荐使用。

java -XX:+UseSerialGC -Xms256M -Xmx512M -XX:MaxGCPauseMillis=200 YourApplication

这个示例JVM启动参数启用了Serial垃圾回收器，同时设置了256MB的初始堆大小和512MB的最大堆大小，并要求最大停顿时间为200毫秒。这些参数的调整都是在尝试优化应用响应性的同时，确保Serial垃圾回收器在受限的硬件环境下提供最佳性能。

# 3. Parallel和Parallel Old垃圾回收器

## 3.1 Parallel垃圾回收器的理论基础

### 3.1.1 并行收集的原理

Parallel垃圾回收器，也称为Throughput Collector，旨在实现高效的资源利用，特别是在多核处理器上，通过多线程并行工作以减少垃圾收集所需的时间。该回收器特别适合于服务器环境，在此环境中应用程序需要更多CPU资源以保持高吞吐量。

并行收集的核心原理是通过分摊垃圾回收的工作负载到多个处理器上，以实现更短的停顿时间。与Serial垃圾回收器的单线程收集相比，Parallel可以同时启动多个垃圾回收线程进行工作，显著加快垃圾收集的进程。

当Parallel垃圾回收器被激活时，它会暂停所有应用程序线程（stop-the-world pause），然后启动多个线程进行垃圾收集工作。这个过程在年轻代和老年代的垃圾收集过程中都有体现，其中年轻代使用复制（Copying）算法，老年代则使用标记-整理（Mark-Compact）算法。

### 3.1.2 年轻代和老年代的处理策略

年轻代的垃圾收集策略使用的是复制算法。当年轻代中的对象存活率较低时，复制算法能非常高效地处理这些对象。在并行执行下，新生代垃圾回收的暂停时间通常很短，因为它只需复制存活的对象到另一个区域（称为Eden区和Survivor区），而清除不再使用的对象。

老年代的处理策略相对复杂，因为它包含了应用程序大部分的存活对象。老年代使用的是标记-整理算法，在并行方式下，标记阶段和整理阶段都会并行进行。标记阶段识别出所有存活的对象，整理阶段则会将这些存活对象移动到老年代空间的连续区域，并在结束时更新所有的引用，这使得内存空间得到优化。

## 3.2 Parallel Old垃圾回收器的实践应用

### 3.2.1 老年代的并行处理机制

Parallel Old垃圾回收器是Parallel垃圾回收器的老年代版本。与年轻代的复制算法不同，老年代的垃圾回收主要采用标记-整理算法。在并行模式下，Parallel Old会使用多个线程来完成垃圾对象的识别和存活对象的整理工作。

具体来讲，垃圾回收器会在老年代分配内存时触发。当老年代空间不足时，垃圾回收器将启动并执行垃圾回收，此时，应用程序线程会被暂停。在并行垃圾回收器的标记阶段，所有处理器资源被充分利用来识别所有存活对象。标记完成后，整理阶段开始，存活对象会被移动到老年代的连续区域，过程中尽量减少碎片化，优化内存使用。

在并行处理过程中，垃圾回收器尽量减少线程间通信，利用局部性原理，尽可能减少不同线程间对象引用的访问，这些都有助于提升并行处理的效率。

### 3.2.2 实际应用中的性能考量和调优

在实际应用中，Parallel Old垃圾回收器的性能考量需要关注几个方面：吞吐量、停顿时间以及内存使用效率。在调优Parallel Old时，以下几个参数是非常关键的：

- `-XX:+UseParallelOldGC`：启用