jvm，深入理解java虚拟机，垃圾收集算法与垃圾收集器

Posted 2022-02-09 你是我的天晴

垃圾收集算法

由于垃圾收集算法的实现涉及大量的程序细节，而且各个平台的虚拟机操作内存的方法

又各不相同，因此本节不打算过多地讨论算法的实现，只是介绍几种算法的思想及其发展过

程。

标记-清除算法

最基础的收集算法是“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如同它的名字一样，算法分
为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有
被标记的对象，它的标记过程其实在前一节讲述对象标记判定时已经介绍过了。之所以说它
是最基础的收集算法，是因为后续的收集算法都是基于这种思路并对其不足进行改进而得到
的。它的主要不足有两个：一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是
空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程
序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾
收集动作。标记—清除算法的执行过程如图3-2所示。

图　

3-2“标记-清除”算法示意图

复制算法

为了解决效率问题，一种称为“复制”（Copying）的收集算法出现了，它将可用内存按容
量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着
的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是
对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指
针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为了原

来的一半，未免太高了一点。复制算法的执行过程如图3-3所示。

图　3-3　复制算法示意图
现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，IBM公司的专门研究表明，新生
代中的对象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1:1的比例来划分内存空间，而是将内存
分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。
当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上，最
后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是
8:1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（80%+10%），只有10%
的内存会被“浪费”。当然，98%的对象可回收只是一般场景下的数据，我们没有办法保证每
次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时，需要依赖其他内存（这里
指老年代）进行分配担保（Handle Promotion）。
内存的分配担保就好比我们去银行借款，如果我们信誉很好，在98%的情况下都能按时
偿还，于是银行可能会默认我们下一次也能按时按量地偿还贷款，只需要有一个担保人能保
证如果我不能还款时，可以从他的账户扣钱，那银行就认为没有风险了。内存的分配担保也
一样，如果另外一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，

这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。关于对新生代进行分配担保的内容，在本章稍后在讲解垃圾收集器执行规则时还会再详细讲解。

标记-整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的
是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中
所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。
根据老年代的特点，有人提出了另外一种“标记-整理”（Mark-Compact）算法，标记过程
仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存
活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，“标记-整理”算法的示意图如

图3-4所示。

图　3-4　“标记-整理”算法示意图

分代收集算法

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational  Collection）算法，这种算
法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆
分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代
中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付
出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间

对它进行分配担保，就必须使用“标记—清理”或者“标记—整理”算法来进行回收。

垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。Java
虚拟机规范中对垃圾收集器应该如何实现并没有任何规定，因此不同的厂商、不同版本的虚
拟机所提供的垃圾收集器都可能会有很大差别，并且一般都会提供参数供用户根据自己的应
用特点和要求组合出各个年代所使用的收集器。这里讨论的收集器基于JDK  1.7  Update  14之
后的HotSpot虚拟机（在这个版本中正式提供了商用的G1收集器，之前G1仍处于实验状
态），这个虚拟机包含的所有收集器如图3-5所示。

图3-5展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，就说明它们
可以搭配使用。虚拟机所处的区域，则表示它是属于新生代收集器还是老年代收集器。接下
来笔者将逐一介绍这些收集器的特性、基本原理和使用场景，并重点分析CMS和G1这两款
相对复杂的收集器，了解它们的部分运作细节。
在介绍这些收集器各自的特性之前，我们先来明确一个观点：虽然我们是在对各个收集
器进行比较，但并非为了挑选出一个最好的收集器。因为直到现在为止还没有最好的收集器
出现，更加没有万能的收集器，所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器。这点不需
要多加解释就能证明：如果有一种放之四海皆准、任何场景下都适用的完美收集器存在，那

HotSpot虚拟机就没必要实现那么多不同的收集器了。

Serial收集器

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器，曾经（在JDK  1.3.1之前）是虚拟机

新生代收集的唯一选择。大家看名字就会知道，这个收集器是一个单线程的收集器，但它
的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，
更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。“Stop
The  World”这个名字也许听起来很酷，但这项工作实际上是由虚拟机在后台自动发起和自动
完成的，在用户不可见的情况下把用户正常工作的线程全部停掉，这对很多应用来说都是难
以接受的。读者不妨试想一下，要是你的计算机每运行一个小时就会暂停响应5分钟，你会
有什么样的心情？图3-6示意了Serial/Serial Old收集器的运行过程。

对于“Stop  The  World”带给用户的不良体验，虚拟机的设计者们表示完全理解，但也表
示非常委屈：“你妈妈在给你打扫房间的时候，肯定也会让你老老实实地在椅子上或者房间
外待着，如果她一边打扫，你一边乱扔纸屑，这房间还能打扫完？”这确实是一个合情合理
的矛盾，虽然垃圾收集这项工作听起来和打扫房间属于一个性质的，但实际上肯定还要比打
扫房间复杂得多啊！
从JDK  1.3开始，一直到现在最新的JDK  1.7，HotSpot虚拟机开发团队为消除或者减少工
作线程因内存回收而导致停顿的努力一直在进行着，从Serial收集器到Parallel收集器，再到
Concurrent Mark  Sweep（CMS）乃至GC收集器的最前沿成果Garbage  First（G1）收集器，我
们看到了一个个越来越优秀（也越来越复杂）的收集器的出现，用户线程的停顿时间在不断
缩短，但是仍然没有办法完全消除（这里暂不包括RTSJ中的收集器）。寻找更优秀的垃圾收
集器的工作仍在继续！
写到这里，笔者似乎已经把Serial收集器描述成一个“老而无用、食之无味弃之可惜”的
鸡肋了，但实际上到现在为止，它依然是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。
它也有着优于其他收集器的地方：简单而高效（与其他收集器的单线程比），对于限定单个
CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最
高的单线程收集效率。在用户的桌面应用场景中，分配给虚拟机管理的内存一般来说不会很
大，收集几十兆甚至一两百兆的新生代（仅仅是新生代使用的内存，桌面应用基本上不会再
大了），停顿时间完全可以控制在几十毫秒最多一百多毫秒以内，只要不是频繁发生，这点
停顿是可以接受的。所以，Serial收集器对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的

选择。

ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之
外，其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数（例如：-XX：SurvivorRatio、-XX：
PretenureSizeThreshold、-XX：HandlePromotionFailure等）、收集算法、Stop  The  World、对
象分配规则、回收策略等都与Serial收集器完全一样，在实现上，这两种收集器也共用了相
当多的代码。ParNew收集器的工作过程如图3-7所示。

图　

ParNew收集器除了多线程收集之外，其他与Serial收集器相比并没有太多创新之处，但
它却是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，其中有一个与性能无关但
很重要的原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作。在JDK  1.5时
期，HotSpot推出了一款在强交互应用中几乎可认为有划时代意义的垃圾收集器——CMS收
集器（Concurrent Mark  Sweep，本节稍后将详细介绍这款收集器），这款收集器是HotSpot虚
拟机中第一款真正意义上的并发（Concurrent）收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与
用户线程（基本上）同时工作，用前面那个例子的话来说，就是做到了在你的妈妈打扫房间
的时候你还能一边往地上扔纸屑。
不幸的是，CMS作为老年代的收集器，却无法与JDK  1.4.0中已经存在的新生代收集器
Parallel Scavenge配合工作[1]
，所以在JDK 1.5中使用CMS来收集老年代的时候，新生代只能选
择ParNew或者Serial收集器中的一个。ParNew收集器也是使用-XX：+UseConcMarkSweepGC
选项后的默认新生代收集器，也可以使用-XX：+UseParNewGC选项来强制指定它。
ParNew收集器在单CPU的环境中绝对不会有比Serial收集器更好的效果，甚至由于存在
线程交互的开销，该收集器在通过超线程技术实现的两个CPU的环境中都不能百分之百地保
证可以超越Serial收集器。当然，随着可以使用的CPU的数量的增加，它对于GC时系统资源
的有效利用还是很有好处的。它默认开启的收集线程数与CPU的数量相同，在CPU非常多
（譬如32个，现在CPU动辄就4核加超线程，服务器超过32个逻辑CPU的情况越来越多了）的
环境下，可以使用-XX：ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。
注意　从ParNew收集器开始，后面还会接触到几款并发和并行的收集器。在大家可能
产生疑惑之前，有必要先解释两个名词：并发和并行。这两个名词都是并发编程中的概念，
在谈论垃圾收集器的上下文语境中，它们可以解释如下。
●并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状
态。●并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能
会交替执行），用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。
[1]Parallel  Scavenge收集器及后面提到的G1收集器都没有使用传统的GC收集器代码框架，而
另外独立实现，其余几种收集器则共用了部分的框架代码，详细内容可参考：

http://blogs.sun.com/jonthecollector/entry/our_collectors。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行
的多线程收集器……看上去和ParNew都一样，那它有什么特别之处呢？
Parallel Scavenge收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同，CMS等收集器的关注点
是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标则是达到
一个可控制的吞吐量（Throughput）。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总
消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间），虚
拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。
停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验，而高
吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不
需要太多交互的任务。
Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集
停顿时间的-XX：MaxGCPauseMillis参数以及直接设置吞吐量大小的-XX：GCTimeRatio参
数。
MaxGCPauseMillis参数允许的值是一个大于0的毫秒数，收集器将尽可能地保证内存回
收花费的时间不超过设定值。不过大家不要认为如果把这个参数的值设置得稍小一点就能使
得系统的垃圾收集速度变得更快，GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取
的：系统把新生代调小一些，收集300MB新生代肯定比收集500MB快吧，这也直接导致垃圾
收集发生得更频繁一些，原来10秒收集一次、每次停顿100毫秒，现在变成5秒收集一次、每
次停顿70毫秒。停顿时间的确在下降，但吞吐量也降下来了。
GCTimeRatio参数的值应当是一个大于0且小于100的整数，也就是垃圾收集时间占总时
间的比率，相当于是吞吐量的倒数。如果把此参数设置为19，那允许的最大GC时间就占总
时间的5%（即1/（1+19）），默认值为99，就是允许最大1%（即1/（1+99））的垃圾收集
时间。
由于与吞吐量关系密切，Parallel  Scavenge收集器也经常称为“吞吐量优先”收集器。除上
述两个参数之外，Parallel  Scavenge收集器还有一个参数-XX：+UseAdaptiveSizePolicy值得关
注。这是一个开关参数，当这个参数打开之后，就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、
Eden与Survivor区的比例（-XX：SurvivorRatio）、晋升老年代对象年龄（-XX：
PretenureSizeThreshold）等细节参数了，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信
息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量，这种调节方式称为GC
自适应的调节策略（GC  Ergonomics）[1]
。如果读者对于收集器运作原来不太了解，手工优化
存在困难的时候，使用Parallel Scavenge收集器配合自适应调节策略，把内存管理的调优任务
交给虚拟机去完成将是一个不错的选择。只需要把基本的内存数据设置好（如-Xmx设置最大
堆），然后使用MaxGCPauseMillis参数（更关注最大停顿时间）或GCTimeRatio（更关注吞
吐量）参数给虚拟机设立一个优化目标，那具体细节参数的调节工作就由虚拟机完成了。自
适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。

[1]官方介绍：http://download.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/vm/gc-ergonomics.html。

Serial Old收集器

Serial  Old是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用“标记-整
理”算法。这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式
下，那么它主要还有两大用途：一种用途是在JDK  1.5以及之前的版本中与Parallel  Scavenge
收集器搭配使用[1]
，另一种用途就是作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent
Mode  Failure时使用。这两点都将在后面的内容中详细讲解。Serial  Old收集器的工作过程如
图3-8所示。

[1]需要说明一下，Parallel  Scavenge收集器架构中本身有PS  MarkSweep收集器来进行老年代
收集，并非直接使用了Serial  Old收集器，但是这个PS  MarkSweep收集器与Serial  Old的实现
非常接近，所以在官方的许多资料中都是直接以Serial  Old代替PS  MarkSweep进行讲解，这

里笔者也采用这种方式。

Parallel Old收集器

Parallel  Old是Parallel  Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。
这个收集器是在JDK  1.6中才开始提供的，在此之前，新生代的Parallel  Scavenge收集器一直
处于比较尴尬的状态。原因是，如果新生代选择了Parallel  Scavenge收集器，老年代除了
Serial  Old（PS  MarkSweep）收集器外别无选择（还记得上面说过Parallel  Scavenge收集器无
法与CMS收集器配合工作吗？）。由于老年代Serial  Old收集器在服务端应用性能上的“拖
累”，使用了Parallel  Scavenge收集器也未必能在整体应用上获得吞吐量最大化的效果，由于
单线程的老年代收集中无法充分利用服务器多CPU的处理能力，在老年代很大而且硬件比较
高级的环境中，这种组合的吞吐量甚至还不一定有ParNew加CMS的组合“给力”。
直到Parallel  Old收集器出现后，“吞吐量优先”收集器终于有了比较名副其实的应用组
合，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel  Scavenge加Parallel Old
收集器。Parallel Old收集器的工作过程如图3-9所示。

3.5.6　CMS收集器

CMS（Concurrent  Mark  Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集
器。目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重
视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常
符合这类应用的需求。
从名字（包含“Mark  Sweep”）上就可以看出，CMS收集器是基于“标记—清除”算法实现
的，它的运作过程相对于前面几种收集器来说更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括：
初始标记（CMS initial mark）
并发标记（CMS concurrent mark）
重新标记（CMS remark）
并发清除（CMS concurrent sweep）
其中，初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop  The  World”。初始标记仅仅只是
标记一下GC  Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC  RootsTracing
的过程，而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变
动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远
比并发标记的时间短。
由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程都可以与用户线程一起
工作，所以，从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。通
过图3-10可以比较清楚地看到CMS收集器的运作步骤中并发和需要停顿的时间。

CMS是一款优秀的收集器，它的主要优点在名字上已经体现出来了：并发收集、低停
顿，Sun公司的一些官方文档中也称之为并发低停顿收集器（Concurrent  Low  Pause
Collector）。但是CMS还远达不到完美的程度，它有以下3个明显的缺点：
CMS收集器对CPU资源非常敏感。其实，面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。
在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程（或者说CPU资
源）而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量
+3）/4，也就是当CPU在4个以上时，并发回收时垃圾收集线程不少于25%的CPU资源，并且随着CPU数量的增加而下降。但是当CPU不足4个（譬如2个）时，CMS对用户程序的影响就
可能变得很大，如果本来CPU负载就比较大，还分出一半的运算能力去执行收集器线程，就
可能导致用户程序的执行速度忽然降低了50%，其实也让人无法接受。为了应付这种情况，
虚拟机提供了一种称为“增量式并发收集器”（Incremental  Concurrent  Mark  Sweep/i-CMS）的
CMS收集器变种，所做的事情和单CPU年代PC机操作系统使用抢占式来模拟多任务机制的思
想一样，就是在并发标记、清理的时候让GC线程、用户线程交替运行，尽量减少GC线程的
独占资源的时间，这样整个垃圾收集的过程会更长，但对用户程序的影响就会显得少一些，
也就是速度下降没有那么明显。实践证明，增量时的CMS收集器效果很一般，在目前版本
中，i-CMS已经被声明为“deprecated”，即不再提倡用户使用。
CMS收集器无法处理浮动垃圾（Floating  Garbage），可能出现“Concurrent  Mode
Failure”失败而导致另一次Full  GC的产生。由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴
随程序运行自然就还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法
在当次收集中处理掉它们，只好留待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃
圾”。也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，那也就还需要预留有足够的内存空间
给用户线程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进
行收集，需要预留一部分空间提供并发收集时的程序运作使用。在JDK  1.5的默认设置
下，CMS收集器当老年代使用了68%的空间后就会被激活，这是一个偏保守的设置，如果在
应用中老年代增长不是太快，可以适当调高参数-XX：CMSInitiatingOccupancyFraction的值来
提高触发百分比，以便降低内存回收次数从而获取更好的性能，在JDK  1.6中，CMS收集器
的启动阈值已经提升至92%。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一
次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来
重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。所以说参数-XX：CM
SInitiatingOccupancyFraction设置得太高很容易导致大量“Concurrent  Mode  Failure”失败，性能
反而降低。
还有最后一个缺点，在本节开头说过，CMS是一款基于“标记—清除”算法实现的收集
器，如果读者对前面这种算法介绍还有印象的话，就可能想到这意味着收集结束时会有大量
空间碎片产生。空间碎片过多时，将会给大对象分配带来很大麻烦，往往会出现老年代还有
很大空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次Full
GC。为了解决这个问题，CMS收集器提供了一个-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection开
关参数（默认就是开启的），用于在CMS收集器顶不住要进行FullGC时开启内存碎片的合并
整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间不得不变长。
虚拟机设计者还提供了另外一个参数-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction，这个参数是用于
设置执行多少次不压缩的Full  GC后，跟着来一次带压缩的（默认值为0，表示每次进入Full

GC时都进行碎片整理）。

G1收集器

G1（Garbage-First）收集器是当今收集器技术发展的最前沿成果之一，早在JDK  1.7刚刚
确立项目目标，Sun公司给出的JDK  1.7  RoadMap里面，它就被视为JDK  1.7中HotSpot虚拟机
的一个重要进化特征。从JDK  6u14中开始就有Early  Access版本的G1收集器供开发人员实
验、试用，由此开始G1收集器的“Experimental”状态持续了数年时间，直至JDK  7u4，Sun公
司才认为它达到足够成熟的商用程度，移除了“Experimental”的标识。
G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器。HotSpot开发团队赋予它的使命是（在比较长
期的）未来可以替换掉JDK  1.5中发布的CMS收集器。与其他GC收集器相比，G1具备如下特
点。
并行与并发：G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者
CPU核心）来缩短Stop-The-World停顿的时间，部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的
GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续执行。
分代收集：与其他收集器一样，分代概念在G1中依然得以保留。虽然G1可以不需要其
他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已
经存活了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。
空间整合：与CMS的“标记—清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记—整理”算法实
现的收集器，从局部（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的，但无论如何，这
两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。这种
特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一
次GC。
可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关
注点，但G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一
个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实
时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。
在G1之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这
样。使用G1收集器时，Java堆的内存布局就与其他收集器有很大差别，它将整个Java堆划分
为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和
老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在整个Java
堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的
空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时
间，优先回收价值最大的Region（这也就是Garbage-First名称的来由）。这种使用Region划分
内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高
的收集效率。
G1把内存“化整为零”的思路，理解起来似乎很容易，但其中的实现细节却远远没有想象
中那样简单，否则也不会从2004年Sun实验室发表第一篇G1的论文开始直到今天（将近10年
时间）才开发出G1的商用版。笔者以一个细节为例：把Java堆分为多个Region后，垃圾收集是否就真的能以Region为单位进行了？听起来顺理成章，再仔细想想就很容易发现问题所
在：Region不可能是孤立的。一个对象分配在某个Region中，它并非只能被本Region中的其
他对象引用，而是可以与整个Java堆任意的对象发生引用关系。那在做可达性判定确定对象
是否存活的时候，岂不是还得扫描整个Java堆才能保证准确性？这个问题其实并非在G1中才
有，只是在G1中更加突出而已。在以前的分代收集中，新生代的规模一般都比老年代要小许
多，新生代的收集也比老年代要频繁许多，那回收新生代中的对象时也面临相同的问题，如
果回收新生代时也不得不同时扫描老年代的话，那么Minor GC的效率可能下降不少。
在G1收集器中，Region之间的对象引用以及其他收集器中的新生代与老年代之间的对象
引用，虚拟机都是使用Remembered  Set来避免全堆扫描的。G1中每个Region都有一个与之对
应的Remembered  Set，虚拟机发现程序在对Reference类型的数据进行写操作时，会产生一个
Write Barrier暂时中断写操作，检查Reference引用的对象是否处于不同的Region之中（在分代
的例子中就是检查是否老年代中的对象引用了新生代中的对象），如果是，便通过
CardTable把相关引用信息记录到被引用对象所属的Region的Remembered  Set之中。当进行内
存回收时，在GC根节点的枚举范围中加入Remembered  Set即可保证不对全堆扫描也不会有遗
漏。
如果不计算维护Remembered Set的操作，G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤：
初始标记（Initial Marking）
并发标记（Concurrent Marking）
最终标记（Final Marking）
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）
对CMS收集器运作过程熟悉的读者，一定已经发现G1的前几个步骤的运作过程和CMS
有很多相似之处。初始标记阶段仅仅只是标记一下GC  Roots能直接关联到的对象，并且修改
TAMS（Next  Top  at  Mark  Start）的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可用的
Region中创建新对象，这阶段需要停顿线程，但耗时很短。并发标记阶段是从GC  Root开始
对堆中对象进行可达性分析，找出存活的对象，这阶段耗时较长，但可与用户程序并发执
行。而最终标记阶段则是为了修正在并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动
的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程Remembered  Set  Logs里面，最
终标记阶段需要把Remembered  Set  Logs的数据合并到Remembered  Set中，这阶段需要停顿线
程，但是可并行执行。最后在筛选回收阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，
根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划，从Sun公司透露出来的信息来看，这个阶段
其实也可以做到与用户程序一起并发执行，但是因为只回收一部分Region，时间是用户可控
制的，而且停顿用户线程将大幅提高收集效率。通过图3-11可以比较清楚地看到G1收集器的

运作步骤中并发和需要停顿的阶段。

理解GC日志

阅读GC日志是处理Java虚拟机内存问题的基础技能，它只是一些人为确定的规则，没有
太多技术含量。在本书的第1版中没有专门讲解如何阅读分析GC日志，为此作者收到许多读
者来信，反映对此感到困惑，因此专门增加本节内容来讲解如何理解GC日志。
每一种收集器的日志形式都是由它们自身的实现所决定的，换而言之，每个收集器的日
志格式都可以不一样。但虚拟机设计者为了方便用户阅读，将各个收集器的日志都维持一定
的共性，例如以下两段典型的GC日志：
33.125：[GC[DefNew：3324K-＞152K（3712K），0.0025925 secs]3324K-＞152K（11904K），0.0031680 secs]
1  0  0.6  6  7：[F  u  l  l  G  C[T  e  n  u  r  e  d：0  K-＞2  1  0  K（1  0  2  4  0  K），0.0  1  4  9  1  4  2  s  e  c  s]4603K-＞210K（19456K），[Perm：2999K-＞ 2999K（21248K）]，0.0150007 secs][Times：user=0.01 sys=0.00，real=0.02 secs]
最前面的数字“33.125：”和“100.667：”代表了GC发生的时间，这个数字的含义是从Java
虚拟机启动以来经过的秒数。
GC日志开头的“[GC”和“[Full  GC”说明了这次垃圾收集的停顿类型，而不是用来区分新
生代GC还是老年代GC的。如果有“Full”，说明这次GC是发生了Stop-The-World的，例如下面
这段新生代收集器ParNew的日志也会出现“[Full  GC”（这一般是因为出现了分配担保失败之
类的问题，所以才导致STW）。如果是调用System.gc（）方法所触发的收集，那么在这里将
显示“[Full GC（System）”。
[Full GC 283.736：[ParNew：261599K-＞261599K（261952K），0.0000288 secs]
接下来的“[DefNew”、“[Tenured”、“[Perm”表示GC发生的区域，这里显示的区域名称与
使用的GC收集器是密切相关的，例如上面样例所使用的Serial收集器中的新生代名为“Default
New  Generation”，所以显示的是“[DefNew”。如果是ParNew收集器，新生代名称就会变
为“[ParNew”，意为“Parallel  New  Generation”。如果采用Parallel  Scavenge收集器，那它配套
的新生代称为“PSYoungGen”，老年代和永久代同理，名称也是由收集器决定的。
后面方括号内部的“3324K-＞152K（3712K）”含义是“GC前该内存区域已使用容量-＞
GC后该内存区域已使用容量（该内存区域总容量）”。而在方括号之外的“3324K-＞
152K（11904K）”表示“GC前Java堆已使用容量-＞GC后Java堆已使用容量（Java堆总容
量）”。
再往后，“0.0025925  secs”表示该内存区域GC所占用的时间，单位是秒。有的收集器会
给出更具体的时间数据，如“[Times：user=0.01  sys=0.00，real=0.02  secs]”，这里面的user、
sys和real与Linux的time命令所输出的时间含义一致，分别代表用户态消耗的CPU时间、内核
态消耗的CPU事件和操作从开始到结束所经过的墙钟时间（Wall  Clock  Time）。CPU时间与
墙钟时间的区别是，墙钟时间包括各种非运算的等待耗时，例如等待磁盘I/O、等待线程阻
塞，而CPU时间不包括这些耗时，但当系统有多CPU或者多核的话，多线程操作会叠加这些

CPU时间，所以读者看到user或sys时间超过real时间是完全正常的。