1. 概述

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本博客中我们将展示不同JVM垃圾回收（GC）实现的基本原理。然后我们将学习如何在应用程序中启动特定类型的垃圾回收。

2. 垃圾回收简介

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看到这个名字，你可能会想：“垃圾回收是什么？
”简单来说，垃圾回收是Java虚拟机（JVM）用来自动管理内存的过程。它的主要任务是识别和清除不再被程序使用的对象，从而释放内存空间，防止内存泄漏和优化应用程序性能。 基本上GC会以两个简单的步骤工作：

1. 标记（Marking）：GC会扫描内存，标记所有仍然被引用的对象。
2. 清除（Sweeping）：GC会清除未被标记的对象，释放它们占用的内存空间。

2.1 优点

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• 自动内存管理：开发者不需要手动分配/释放内存，未使用的空间会被自动回收。
• 无需处理野指针(Dangling Pointer)：GC可以防止野指针问题，减少内存错误的发生。
• 自动管理内存泄漏：垃圾回收器能自动处理大部分的内存泄漏问题。
• 提高开发效率：开发者可以专注于业务逻辑，而不必过多关注内存管理细节。

2.2 缺点

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• CPU资源消耗：由于JVM必须持续监控对象引用的创建与销毁，监控过程会消耗更多的CPU资源，对于需要大内存的请求来说，垃圾回收器的运行会影响应用程序的性能。
• 缺乏调度控制权：开发者无法控制JVM何时分配CPU时间分片来清理不需要的对象，无法人为干预GC调度。
• 停顿时间（Stop-the-World）：垃圾回收过程可能会导致应用程序暂停，某些GC实现方案可能会引起较长的停顿时间，影响应用程序的响应性。
• 效率限制：自动管理内存可能不如手动分配与释放内存高效，尤其是在高性能应用中。

3. GC进化路程与常见算法

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Java的垃圾回收机制（Garbage Collection，GC）经历了多次演变和改进，以提高性能、减少停顿时间以及更好地适应不同类型的应用程序需求。

从早期的Serial GC到现代的低延迟GC，Java提供了多种垃圾回收器以满足不同场景的需求。下面将按照进化顺序介绍各种GC实现。

3.1 Serial GC（串行垃圾回收器）

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特点：

• 最早的GC实现，适用于单线程环境。
• 使用单线程进行垃圾回收，适合小型应用程序，但在多核处理器上表现不佳。
• 停顿时间较长，影响应用程序的响应性。
• 适用于内存较小且对响应时间要求不高的应用。

命令行参数：

java -XX:+UseSerialGC -jar Application.java

备注： Twitter 的工程师在 QCon 2012 上曾就 Serial GC 的性能发表过精彩演讲，这是深入了解该回收器的一个很好途径。

3.2 Parallel GC（并行垃圾回收器，Throughput Collector）

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特点：

• 引入多线程垃圾回收，提高了吞吐量。
• 适用于多核处理器，能够更有效地利用系统资源。
• 仍然存在停顿时间，但相较于Serial GC有所减少。
• 适用于对吞吐量要求较高的应用程序。

命令行参数：

java -XX:+UseParallelGC -jar Application.java

3.3 CMS（Concurrent Mark-Sweep）GC

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特点：

• 旨在减少停顿时间，通过并发标记和清除来实现。
• 在标记阶段与应用程序线程并发运行，减少了停顿时间。
• 适用于对响应时间要求较高的应用程序，如Web服务器。
• 可能会导致内存碎片化问题。

命令行参数：

java -XX:+UseConcMarkSweepGC -jar Application.java

3.4 G1（Garbage-First）GC

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特点：

• 设计用于大内存应用程序，能够更好地管理堆内存。
• 将堆划分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域。
• 提供可预测的停顿时间，适用于对响应时间有严格要求的应用程序。
• 通过并发和并行处理提高了垃圾回收效率。

命令行参数：

java -XX:+UseG1GC -jar Application.java

3.5 ZGC（Z Garbage Collector）

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特点：

• 低延迟垃圾回收器，适用于大内存和多核处理器环境。
• 采用并发标记和压缩技术，最大停顿时间通常在几毫秒级别。
• 支持数TB级别的堆内存。
• 适用于对延迟敏感的应用程序，如实时系统。

命令行参数：

java -XX:+UseZGC -jar Application.java

3.6 Shenandoah GC

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特点：

• 另一种低延迟垃圾回收器，类似于ZGC。
• 通过并发标记和压缩，减少停顿时间。
• 适用于大内存应用程序，支持多TB级别的堆内存。

命令行参数：

java -XX:+UseShenandoahGC -jar Application.java

3.7 Epsilon GC

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特点：

• 无操作垃圾回收器，不进行实际的垃圾回收。
• 适用于性能测试和内存压力测试场景。
• 允许开发者观察应用程序在没有GC干扰下的行为。

命令行参数：

java -XX:+UseEpsilonGC -jar Application.java

4. 总结

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Java GC的进化反映了对不同应用需求的响应，从早期的简单实现到现代的低延迟、高吞吐量的垃圾回收器。选择合适的GC策略取决于应用程序的特性和性能要求：

• 小型应用、单核环境：Serial GC
• 吞吐量优先、多核环境：Parallel GC
• 响应时间优先、中等堆内存：CMS GC 或 G1 GC
• 大内存、低延迟要求：ZGC 或 Shenandoah GC
• 性能测试、基准测试：Epsilon GC

随着Java的发展，GC技术将继续演进，以满足不断变化的计算需求。