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垃圾回收算法与收集器
1. 本节定位
同一程序（100 轮 x 1MB 短命对象）、128M 堆、三种收集器的一手对比（-Xlog:gc 采集）：
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SerialGC ：Pause 5 次，例 18M->2M 0.591ms ← 单次停顿最短 ✓✓
ParallelGC ：Pause 4 次，例 33M->1M 1.346ms
G1GC ：Pause 3 次，例 38M->1M 1.590ms ← 次数最少 ✓
全部 0 次 Full GC ✓★★ 一个反直觉的实测结论：小堆（128M）下 G1 并不占优，Serial 单次停顿最短 ✓✓ —— G1 官方建议用于 6G+ 堆 ✓ ——收集器选型必须结合堆大小 ✓✓✓
2. 学习目标
- 说清三种基础算法的取舍 ★★★；
- 理解分代假说与「为什么这样分代」（有 《JVM 内存结构与对象创建》 实测证据）★★★；
- 会按堆大小与延迟要求选收集器 ★★★；
- 能读 -Xlog:gc 日志的「回收量/停顿」✓✓。
3. 前置知识检查
- 知道 G1 Region 模型吗？（《JVM 内存结构与对象创建》）✓
4. 为什么需要这个知识
★ GC 停顿 = 全世界暂停 ✗✗（除 ZGC 亚毫秒外）—— P99 毛刺的第一嫌疑人就是 GC ✗✓（呼应 T2-014）
5. 核心概念
5.1 三种基础算法 ★★★
| 算法 | 做法 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 标记-清除 | 标记存活，清除垃圾 | 简单 | 内存碎片 ✗✗ |
| 标记-复制 | 存活对象复制到另一半 | 无碎片、快 ✓✓ | 浪费一半空间 ✗ |
| 标记-整理 | 标记后向一端移动 | 无碎片、不浪费 | 移动对象成本高 ⚠️ |
★ 分代的由来 ✓✓✓：绝大多数对象朝生夕死（《JVM 内存结构与对象创建》 实测：100MB 短命对象一次 Young GC 就清完 ✓）—— 新生代用复制（存活少 → 复制成本低 ✓✓）；老年代用标记-整理/清除 ✓✓✓
5.2 收集器谱系（JDK 21）★★★
| 收集器 | 算法 | 线程 | 适用 |
|---|---|---|---|
| Serial | 复制 + 整理 | 单线程 | 小堆/单核/客户端 ✓✓ |
| Parallel | 复制 + 整理 | 多线程（吞吐优先） | 批处理/计算 ✓ |
| G1（默认） | Region 复制+整理 | 并发+并行 | 大堆（6G+）低延迟 ✓✓ |
| ZGC | 着色指针并发 | 并发 | 超大堆、亚毫秒停顿 ✓✓✓ |
| Shenandoah | 并发整理 | 并发 | 同 ZGC ✓ |
★ JDK 21 的默认就是 G1（本节实测 "Using G1" ✓）；CMS 已移除 ✗
5.3 选型决策（实测背书）★★★
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堆 < 1G 或单核 → Serial（实测单次停顿 0.59ms 最短）✓✓
吞吐优先（批处理） → Parallel（吞吐 = 总停顿最短）✓
大堆 + 低延迟（在线服务）→ G1（6G+）✓✓
超大堆 + 极致延迟 → ZGC（<1ms，牺牲吞吐 10~15%）⚠️✓★ 本节实测的选型印证 ✓✓✓：
128M 小堆：Serial 每次回收 18M->2M 用 0.59ms —— G1 的 Region 多、根扫描成本在小堆上不划算 ✓✓ —— 「没有最好的收集器，只有匹配堆大小与延迟目标的收集器」 ✓✓✓
5.4 读 GC 日志的三个数 ★★★
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GC(3) Pause Young (Allocation Failure) 33M->1M(83M) 1.346ms
↑原因 ↑回收前→回收后(堆容量) ↑停顿★ 健康判据 ✓✓：
| 信号 | 判断 |
|---|---|
| Young 频繁但每次 <10ms | 正常 ✓ |
| 老年代增长快 → 频繁 Mixed/Full ✗✗ | 泄漏或缓存过大 ⚠️ |
| Full GC 出现 ✗✗✗ | 立即排查（Meta/Humongous/碎片）✓✓ |
| Pause 随时间变长 ✗ | 碎片化 ✗ |
6. 递进示例
6.1 对比实验（本节实测）
powershell
foreach ($g in @("SerialGC","ParallelGC","G1GC")) {
java "-XX:+Use$g" "-Xlog:gc" "-Xmx128m" "-Xms64m" -cp java-deep/target/classes cn.kb.learn.deep.jvm.GcLesson
}6.2 反例：小堆硬上 ZGC
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ZGC 自身需要额外内存与并发线程 —— 128M 堆上得不偿失 ✗✗7. 完整可运行代码与实测
代码：labs/java-deep/src/main/java/cn/kb/learn/deep/jvm/GcLesson.java
实测输出（关键部分）：
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SerialGC : Pause=5 例 18M->2M(61M) 0.591ms
ParallelGC : Pause=4 例 33M->1M(83M) 1.346ms
G1GC : Pause=3 例 38M->1M(66M) 1.590ms
全部 Full=0；三方案剩余库存/结果一致 ✓★ 三个数字读法 ✓✓：33M->1M = 回收前活 33M、回收后活 1M（32M 是垃圾被回收 ✓）、堆容量 83M ✓
8. Debug 观察点
- 三种收集器各跑一次（本节已做）✓✓✓；
- 对比 ZGC：java "-XX:+UseZGC" "-Xlog:gc" ... 观察亚毫秒停顿 ✓✓；
- 把 -Xmx 调到 4G 再跑 G1：观察 Region 与次数变化 ✓。
9. 常见错误
| # | 错误 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 小堆用 G1 ⚠️ | 实测不占优 ✓✓ |
| 2 | 误把 "Allocation Failure" 当错误 ✗✗ | 这是 Young GC 的正常原因 ✓✓ |
| 3 | 忽略 Full GC ✗✗✗ | 它是最危险的信号 ✓✓ |
| 4 | ZGC 当默认 ✗ | 吞吐损失 10~15% ⚠️ |
| 5 | 只调收集器不查泄漏 ✗✗ | 泄漏时换任何收集器都白搭 ✓✓ |
10. 动手实验
- 三收集器对比（本节已做）✓✓✓；
- 加 ZGC 对比停顿 ✓✓；
- 故意泄漏（List 不断 add）观察 Old 增长与 Full GC ✗✗✓✓；
- 调 -Xmx 观察 GC 次数与停顿的变化 ✓。
验收方式：给一份 GC 日志能判断收集器、代行为与健康状态。
扩展任务：写一份「本服务 GC 基线」（收集器/堆参数/正常 GC 频率与停顿），供告警阈值参考 ✓✓
11. 练习题
- 三种基础算法各自的优缺点？
- 为什么新生代用复制算法？
- Serial/Parallel/G1 的单次停顿实测排序（小堆）？
- "Allocation Failure" 是错误吗？
- 什么信号必须立即排查？
参考答案（要点）
- 清除：简单但碎片 ✗✗；复制：无碎片快但费空间 ✗；整理：无碎片不浪费但移动成本高 ⚠️✓
- 存活对象少 → 复制成本低 ✓✓（分代假说，《JVM 内存结构与对象创建》 实测）★
- Serial 0.59ms < Parallel 1.35ms < G1 1.59ms（本机 128M 实测）✓✓ —— 但 G1 次数最少，总停顿要看次数 x 单次 ✓★
- 不是 ✓✓ ——Eden 满了申请分配失败 = 正常的 Minor GC 触发原因 ✓✓★
- Full GC ✗✗✓（以及老年代持续增长、停顿随时间变长）✓✓★
12. 掌握标准
- [ ] 说清三种算法取舍 ★★★；
- [ ] 理解分代假说与实测证据 ★★★；
- [ ] 会按堆大小选收集器 ★★★；
- [ ] 能读 -Xlog:gc 三元组 ★★★；
- [ ] 知道 Full GC 的严重性 ★★★。
13. 扩展资源
14. 下一步学习
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