Java `Garbage Collection` `GC Cycles` `Parallel`, `Concurrent`, `Garbage-First (G1)`, `ZGC`, `Shenandoah` 调优

各位观众老爷，大家好！今天咱们来聊聊Java垃圾回收（GC）那些事儿。这玩意儿就像你家里的保洁阿姨，你不关心她怎么干活，但家里干净整洁了，你住着也舒服。GC也是一样，它自动管理内存，让你的程序不用操心内存泄漏，爽歪歪！但如果阿姨偷懒了，家里脏兮兮，你的程序也就卡卡的。所以，了解GC，优化GC，就是让你的阿姨更勤快！

一、啥是垃圾，啥是垃圾回收？

首先，我们要搞清楚什么是垃圾。在Java的世界里，垃圾就是那些不再被引用的对象。就像你买了包薯片，吃完了，包装袋就成了垃圾。

public class GarbageExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个对象
        Object obj = new Object();

        // 将 obj 设置为 null，此时 obj 指向的对象就变成了垃圾
        obj = null;

        // 此时，GC 可能会回收之前 obj 指向的对象
        System.gc(); // 仅仅是建议 GC 运行，不保证立即执行
    }
}

这段代码里，obj = null; 之后，之前obj指向的new Object()对象，如果没有任何其他引用指向它，就变成了垃圾。System.gc() 只是一个建议，告诉JVM：“哥们，我觉得可以考虑回收一下垃圾了。” 但JVM心情好不好，采不采纳你的建议，那就另说了。

垃圾回收，就是JVM自动找到这些垃圾对象，并释放它们占用的内存。

二、GC Cycle：垃圾回收的轮回

GC不是一次性的工作，而是一个循环往复的过程，我们称之为GC Cycle。它大致分为以下几个阶段：

标记（Marking）： 找到所有存活的对象。就像阿姨先要看看哪些东西是你还要的，不能扔。
清除（Sweeping）： 回收那些被标记为垃圾的对象所占用的内存。阿姨把垃圾扔掉。
压缩（Compacting）： 将存活的对象移动到内存的一端，以减少内存碎片。阿姨把东西摆放整齐，腾出空间。

这三个阶段是理想化的模型。实际上，不同的GC算法会采用不同的策略，例如，有些算法可能会将标记和清除阶段合并。

三、GC算法大比拼：总有一款适合你

Java提供了多种GC算法，各有千秋。选择合适的GC算法，就像选择合适的车，要根据你的需求和场景来决定。

Serial GC (串行GC):
- 特点： 单线程执行，在GC期间会暂停所有应用线程（Stop-The-World，STW）。
- 适用场景： 适用于单核CPU，或者内存较小的应用。
- 优点： 简单高效，适用于小型应用。
- 缺点： STW时间较长，影响用户体验。
- 启用方式： -XX:+UseSerialGC
这就像一个勤劳的老黄牛，默默地干活，但干活的时候，所有人都要停下来等着。
Parallel GC (并行GC):
- 特点： 多线程执行，在GC期间仍然会暂停所有应用线程（STW）。
- 适用场景： 适用于多核CPU，需要较高吞吐量的应用。
- 优点： 吞吐量高，能充分利用多核CPU。
- 缺点： STW时间仍然较长。
- 启用方式： -XX:+UseParallelGC (默认)，-XX:+UseParallelOldGC
这就像一群老黄牛一起干活，效率提高了，但干活的时候，所有人还是要停下来等着。

吞吐量 (Throughput)： 指的是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值。吞吐量越高，表示应用程序运行效率越高。 Parallel GC 的目标就是尽可能提高吞吐量。
Concurrent Mark Sweep (CMS) GC (并发标记清除GC):
- 特点： 大部分GC操作与应用线程并发执行，只有在初始标记和重新标记阶段会暂停应用线程（STW）。
- 适用场景： 适用于对响应时间有要求的应用，例如Web应用。
- 优点： STW时间较短，用户体验较好。
- 缺点： 会产生内存碎片，需要额外的CPU资源。
- 启用方式： -XX:+UseConcMarkSweepGC
这就像一个高效的团队，大部分时间都在并行工作，只有在关键时刻才需要大家停下来协调一下。

CMS GC 的主要步骤：
- 初始标记 (Initial Mark)： 标记GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，需要STW。
- 并发标记 (Concurrent Mark)： 从GC Roots开始，并发地遍历整个对象图，进行可达性分析，耗时较长。
- 重新标记 (Remark)： 修正并发标记期间，因用户线程运行而导致标记发生变动的记录。需要STW。
- 并发清除 (Concurrent Sweep)： 并发地清除垃圾对象。
Garbage-First (G1) GC (垃圾优先GC):
- 特点： 将堆内存划分为多个大小相等的Region，优先回收垃圾最多的Region。
- 适用场景： 适用于大内存应用，需要较高吞吐量和较低延迟的应用。
- 优点： 能够预测GC停顿时间，减少内存碎片。
- 缺点： 算法复杂，需要更多的CPU资源。
- 启用方式： -XX:+UseG1GC
这就像把整个场地分成很多小块，然后优先清理垃圾最多的那块。

G1 GC 的主要特点：
- Region Based: 将堆内存划分为多个大小相等的 Region (通常为1MB-32MB)。
- Garbage-First: 优先回收垃圾最多的 Region。
- 预测停顿时间模型: 可以设置期望的GC停顿时间目标 (-XX:MaxGCPauseMillis=200)。
- Remembered Sets (RSet): 每个 Region 都有一个 RSet，用于记录该 Region 中对象被其他 Region 对象引用的情况。这避免了在 GC 时扫描整个堆。
Z Garbage Collector (ZGC):
- 特点： 低延迟GC，停顿时间极短（通常在10ms以内）。
- 适用场景： 适用于对延迟要求非常高的应用，例如金融交易系统。
- 优点： 停顿时间极短，用户体验极好。
- 缺点： 需要更多的CPU资源，目前还不够成熟。
- 启用方式： -XX:+UseZGC
这就像一个顶级的清洁团队，几乎在你没察觉的时候，就把垃圾清理干净了。

ZGC 的主要特点：
- Colored Pointers: 使用指针的颜色位来存储对象的信息，例如是否被标记，是否需要重定位等。
- Load Barriers: 在读取对象引用时，插入一些额外的代码，用于检查对象是否需要重定位。
- 并发重定位: 在并发阶段，将对象从一个Region移动到另一个Region。
Shenandoah GC:
- 特点： 与ZGC类似，也是一种低延迟GC。
- 适用场景： 适用于对延迟要求非常高的应用。
- 优点： 停顿时间短，用户体验好。
- 缺点： 需要更多的CPU资源，目前还不够成熟。
- 启用方式： -XX:+UseShenandoahGC
和ZGC类似，也是一个追求极致低延迟的选手。

Shenandoah GC 的主要特点：
- 并发预处理: 在并发阶段，执行一些预处理工作，例如计算对象的年龄。
- 并发可达性分析: 并发地进行可达性分析。
- 并发更新引用: 并发地更新对象引用。

四、GC调优：让你的阿姨更懂你

GC调优的目标是找到一个平衡点，既要保证吞吐量，又要尽可能减少停顿时间。这就像你要跟你的保洁阿姨沟通，告诉她你希望什么时候打扫，哪些地方重点打扫。

选择合适的GC算法：
- 如果你的应用对吞吐量要求高，可以考虑Parallel GC 或 G1 GC。
- 如果你的应用对延迟要求高，可以考虑CMS GC、ZGC 或 Shenandoah GC。
- 如果你的应用内存较小，或者CPU核心数较少，可以考虑Serial GC。
调整堆大小：
- -Xms<size>：设置初始堆大小。
- -Xmx<size>：设置最大堆大小。
- -Xmn<size>：设置年轻代大小。
- -XX:SurvivorRatio=<ratio>：设置Eden区和Survivor区的比例。
堆大小的设置需要根据你的应用需求来决定。如果堆太小，会导致频繁的GC，影响性能。如果堆太大，会导致GC时间过长。

年轻代 (Young Generation)： 用于存放新创建的对象。年轻代分为Eden区和两个Survivor区 (S0 和 S1)。

老年代 (Old Generation)： 用于存放经过多次GC仍然存活的对象。

永久代 (Permanent Generation) / 元空间 (Metaspace)： 用于存放类的元数据信息。
调整GC参数：
- -XX:MaxGCPauseMillis=<time>：设置期望的GC停顿时间。 (G1 GC)
- -XX:G1HeapRegionSize=<size>：设置G1 GC的Region大小。
- -XX:ParallelGCThreads=<n>：设置并行GC的线程数。
- -XX:+UseAdaptiveSizePolicy：启用自适应大小调整策略。
这些参数可以帮助你更精细地控制GC的行为。
监控GC日志：
- -verbose:gc：输出GC日志。
- -XX:+PrintGCDetails：输出更详细的GC日志。
- -XX:+PrintGCTimeStamps：输出GC时间戳。
- -Xloggc:<file>：将GC日志输出到文件。
通过分析GC日志，你可以了解GC的运行情况，找到性能瓶颈。

GC日志示例 (G1 GC):
```
2023-10-27T10:00:00.000+0800: 1.234: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young) 0.123 secs]
   [Eden: 1024M(1024M)->0B(1024M) Survivors: 0B->16M Heap: 2048M(4096M)->1024M(4096M)]
   [Times: user=0.10 sys=0.02, real=0.12 secs]
```
- GC pause (G1 Evacuation Pause) (young): 表示这是一次 G1 GC 的年轻代回收。
- Eden: 1024M(1024M)->0B(1024M): 表示 Eden 区从 1024MB 回收到了 0MB。
- Survivors: 0B->16M: 表示 Survivor 区使用了 16MB。
- Heap: 2048M(4096M)->1024M(4096M): 表示堆内存从 2048MB 回收到了 1024MB，堆总大小为 4096MB。
- Times: user=0.10 sys=0.02, real=0.12 secs: 表示 GC 耗时。
使用GC工具：
- VisualVM
- JConsole
- JProfiler
- YourKit Java Profiler
这些工具可以帮助你更直观地监控GC的运行情况，并进行性能分析。

五、常见的GC问题及解决方案

Full GC过于频繁：
- 原因： 堆内存不足，或者老年代增长过快。
- 解决方案： 增加堆内存，优化代码，减少对象创建。
STW时间过长：
- 原因： GC算法选择不当，或者堆太大。
- 解决方案： 选择合适的GC算法，调整堆大小，优化代码，减少对象引用。

内存泄漏：

原因： 对象不再使用，但仍然被引用。
解决方案： 使用内存分析工具，找到内存泄漏的原因，修复代码。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MemoryLeakExample {

    private static List<Object> list = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            Object obj = new Object();
            list.add(obj);  // 内存泄漏：对象被添加到静态列表中，无法被回收
            // obj = null; // 即使将 obj 设置为 null，对象仍然被 list 引用
        }
        System.out.println("Done!");
        Thread.sleep(10000); // 暂停10秒，方便观察内存占用
    }
}

在这个例子中，obj 被添加到静态列表 list 中，即使在循环中 obj 被重新赋值，之前的对象仍然被 list 引用，导致无法被垃圾回收。这就造成了内存泄漏。

六、总结

GC调优是一个复杂的过程，需要根据你的应用场景和需求来选择合适的GC算法和参数。记住，没有万能的GC策略，只有最适合你的策略。

希望今天的讲座能帮助你更好地理解Java垃圾回收，并能应用到实际的开发中。记住，好的GC策略，能让你的程序跑得更快，更稳定！谢谢大家！

最后，给大家留个思考题：如何使用G1 GC优化一个大型电商网站的性能？欢迎大家在评论区留言讨论！

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