JVM GC 算法与 Stop The World

TL;DR（30 秒扫完）

三大算法：标记-清除（有碎片）/ 复制（无碎片但浪费空间）/ 标记-整理（无碎片但移动开销）
新生代用复制（朝生夕死，存活少），老年代用标记-整理（存活多）
权衡三角：吞吐 vs 停顿 vs 空间——不可兼得
STW = "GC 与线程的互斥锁"，用短暂停顿换状态一致性
GC 阶段：Initial Mark（STW）→ Concurrent Mark → Remark（STW）→ Concurrent Sweep
CMS 会退化 Full GC（Concurrent Mode Failure），G1/ZGC 尽量避免

关键结论

结论 AGC 器都是三大算法在不同代上的组合（ParallelGC / CMS / G1 / ZGC）

结论 BEden:From:To = 8:1:1，Survivor 只留 10% 逼早熟对象晋升

结论 CSTW 集中在 Initial Mark + Remark 两个阶段，Concurrent 阶段不 STW

结论 DSTW 无法完全消除，只能缩短；ZGC 通过读屏障+多映射压到 <1ms

结论 EGC 流程分两层——对象晋升 + 算法执行，答"完整流程"必须两层都说

完整讲解（费曼四步）

STEP 1 · 概念

GC 算法核心是"标记存活 + 清理死对象"两种操作的不同组合。标记-清除 = 只标记不整理，复制 = 存活复制到另一块空间，标记-整理 = 标记后压缩到一侧。三者权衡：吞吐、停顿、空间不可兼得。

STEP 2 · 大白话

类比：打扫房间（GC）：

- 标记-清除：把垃圾围起来（标记），把垃圾扔出去（清理）——省事，但地上留下许多散落的空盒子（碎片）

- 复制：把有用的东西全搬到隔壁房间（复制），把整个房间烧掉（清空）——干净，但浪费隔壁房间

- 标记-整理：把有用的东西按顺序挤到一边（整理），把剩下的一半扔掉——最省空间，但搬东西耗时

STEP 3 · 底层

三大算法对比

算法	流程	优点	缺点	使用者
标记-清除	GC Roots 标记 → 清理未标	简单、无需移动	内存碎片	CMS 老年代、ZGC 早期
复制	堆分两半，存活复制到另一半，清空旧半	无碎片	浪费一半空间	所有分代 GC 的新生代
标记-整理	标记存活 → 压缩到一侧	无碎片、空间利用率高	移动对象要处理所有引用（写屏障）	ParallelGC、G1 Region 间、ZGC

GC 器 = 算法组合 + 执行方式

GC 器	新生代	老年代	停顿特征
Serial	复制	标记-整理	单线程，短停顿
ParallelGC（JDK 8 默认）	复制	并行标记-整理	高吞吐
CMS	ParNew(复制)	并发标记-清除	低延迟但有碎片（JDK 14 弃用）
G1（JDK 9+ 默认）	Region 复制	Region 间标记-整理	可预测停顿
ZGC / Shenandoah	同堆	并发标记-整理+读屏障	<10ms 停顿

分代结构（HotSpot 默认）

Heap
├── Young Generation (约 1/3)
│   ├── Eden (约 80%)         # 新对象首次分配
│   ├── From Survivor (约 10%) # 上一次存活
│   └── To Survivor (约 10%)   # 本次存活目标
└── Old Generation (约 2/3)    # 长寿 + 大对象
+ Metaspace (JDK 8+ 独立于堆)

晋升 4 条规则：

年龄晋升：GC 次数达 MaxTenuringThreshold（默认 15，动态）
动态年龄判定：Survivor 中同龄对象总和 > 50%，该年龄及更大全部晋升
大对象晋升：超 PretenureSizeThreshold 直接老年代分配
空间分配担保：Survivor 装不下就搬老年代

GC 流程两层（重要！）

第一层：对象晋升

Eden 满 → Young GC → 存活复制到 To Survivor → From/To 交换 → 反复几次晋升老年代

第二层：算法执行（以 CMS 为例）

Initial Mark（STW）：只标 GC Roots，快
Concurrent Mark：并发遍历，不 STW
Remark（STW）：处理引用变动，靠写屏障/Remembered Set 缩短
Concurrent Sweep：并发清理，不 STW（有碎片）

Full GC 传统：STW 整代标记 → 标记-整理 → 清理尾部

三类 GC 的边界

类型	回收范围	说明
Young GC	只新生代	STW 短（几十 ms），频率高
Mixed GC（G1）	Young + 部分老年代 Region	按脏度排序，可预测停顿
Full GC	整代	STW 长（秒级），最后手段

触发 Full GC：老年代满 / Metaspace 满 / System.gc() / Survivor 晋升失败

STW 本质与 Safepoint

本质：GC 与线程之间的互斥锁——用短暂停顿换引用图的一致性分析实现：Safepoint（安全点）

JVM 通知线程跑到最近的 Safepoint 才暂停
Safepoint = 字节码特定位置：方法调用、循环回跳、异常跳转
长方法无 Safepoint 会拖长 STW（HotSpot 通过 -XX:LoopSafepointPollSize 自动插入检查）
排查：jcmd VM.print_safepoints、JFR jdk.Safepoint

STW 阶段分布

阶段	STW？	说明
Initial Mark	✅ STW	只标 GC Roots，快
Concurrent Mark	❌ 并发	GC 线程+用户线程并发
Remark	✅ STW	处理引用变动，靠写屏障缩短
Concurrent Sweep	❌ 并发	CMS 有，G1/ZGC 用 Concurrent Relocate

Concurrent Mode Failure

并发标记期间老年代空间不足 → 退化 Full GC → 停顿从几十 ms 飙到秒级。这就是"退化回单线程"，是线上 GC 事故的常见根因。

STEP 4 · 简化

一句话总结：新生代复制、老年代整理；GC 流程分两层（对象晋升+算法执行）；STW 集中在 Initial Mark+Remark；无法消除只能缩短。

记忆口诀：

三大算法：清除 / 复制 / 整理
权衡三角：吞吐 / 停顿 / 空间
STW 阶段：Initial Mark + Remark
分代动机：弱分代假说（朝生夕死）

常见误区

"只有 Full GC 才动老年代"

G1 Mixed GC 也会回收部分老年代 Region

"JVM 会自动把对象搬到堆外"

堆外是独立机制，需主动使用

"STW 可以完全消除"

只能缩短（ZGC <1ms），Full GC 仍是秒级

"15 次是 CMS 参数"

MaxTenuringThreshold 是 HotSpot 通用配置

"G1 的 Region 内也会整理"

Region 内不整理（避免移动开销），跨 Region 才复制

延伸追问

为什么新生代用复制不用标记-清除？

朝生夕死，存活少，复制快无碎片；标记-清除新生代虽快但碎片累积影响 Eden 分配

Eden:Survivor = 8:1 是什么原理？

JDK 8 默认 8:1:1，Survivor 只留 ~10% 逼早熟对象晋升；调优 -XX:PretenureSizeThreshold 和 -XX:MaxTenuringThreshold

写屏障是什么？为什么并发 GC 必需？

写屏障是对象引用赋值时插入的额外代码（CardTable 记录跨代指针），让 GC 高效处理并发修改

Remark 为什么需要 STW？如何缩短？

要处理并发标记期间的引用变动，必须 STW 保证一致性；写屏障让变动可追踪，Remark 只处理"脏"引用

如何在生产上观察 GC 流程？

-Xlog:gc* 完整日志、JFR jdk.GCPhasePause 事件、Arthas dashboard、关注 Pause Remark 和 Full GC 频率

速查表

三大算法: 标记-清除 / 复制 / 标记-整理
分代: 新生代复制 / 老年代整理
权衡三角: 吞吐 / 停顿 / 空间
分代结构: Eden 80% + From 10% + To 10% + Old 2/3
晋升 4 规则: 年龄 / 动态年龄 / 大对象 / 空间担保
GC 阶段: Initial Mark (STW) → Concurrent Mark → Remark (STW) → Sweep
三类 GC: Young / Mixed (G1) / Full
STW 阶段: Initial Mark + Remark
CMS 退化: Concurrent Mode Failure

Anki 候选卡片

Q: 三大 GC 算法？

A: 标记-清除 / 复制 / 标记-整理

Q: Eden:From:To 默认比例？

A: 8:1:1

Q: 晋升老年代 4 条规则？

A: 年龄晋升 / 动态年龄判定 / 大对象晋升 / 空间分配担保

Q: 哪些 GC 阶段 STW？

A: Initial Mark + Remark

Q: CMS 退化 Full GC 的原因？

A: 并发标记期间老年代空间不足（Concurrent Mode Failure）

关联题目

⚠️ 《JVM有哪些垃圾回收算法？》— Round 1 Q4, ⭐⭐⭐⭐（术语不准，漏 ZGC）
⚠️ 《Java的堆是如何分代的？为什么分代？》— Round 1 Q5, ⭐⭐⭐（漏 Mixed GC 边界、缺具体结构）
⚠️ 《什么是Stop The World？》— Round 1 Q6, ⭐⭐⭐（缺 Safepoint，术语混乱）
⚠️ 《JVM 中一次完整的 GC 流程是怎样的？》— Round 1 Q7, ⭐⭐（漏算法执行层）

关联知识

三大经典算法：标记-清除/复制/标记-整理；STW 本质是 GC 与线程的互斥锁

打扫房间：标记-清除（省事但留碎片）；复制（干净但浪费一半）；标记-整理（最省但搬东西耗时）

✦ 记忆口诀 ✦

权衡三角吞吐 vs 停顿 vs 空间不可兼得；STW 只集中在 Initial Mark + Remark

关键可视化

三大 GC 算法对比

flowchart TB
  A["GC 算法"] --> M1["标记-清除<br/>Mark-Sweep<br/>有碎片"]
  A --> M2["复制<br/>Copying<br/>无碎片浪费空间"]
  A --> M3["标记-整理<br/>Mark-Compact<br/>无碎片移动开销"]
  M1 --> U1["CMS 老年代<br/>ZGC 早期"]
  M2 --> U2["所有分代 GC 新生代"]
  M3 --> U3["ParallelGC/G1 Region 间/ZGC"]

HotSpot 分代结构

flowchart TB
  H["Heap"] --> Y["Young Generation<br/>约 1/3"]
  H --> O["Old Generation<br/>约 2/3"]
  H --> M["Metaspace<br/>JDK 8+ 独立于堆"]
  Y --> E["Eden<br/>约 80%<br/>新对象首次分配"]
  Y --> F["From Survivor<br/>约 10%<br/>上一次存活"]
  Y --> T["To Survivor<br/>约 10%<br/>本次存活目标"]

CMS 四阶段（GC 流程两层）

flowchart LR
  P1["1.Initial Mark<br/>STW<br/>只标 GC Roots 快"] --> P2["2.Concurrent Mark<br/>并发遍历<br/>不 STW"]
  P2 --> P3["3.Remark<br/>STW<br/>处理引用变动"]
  P3 --> P4["4.Concurrent Sweep<br/>并发清理<br/>不 STW"]
  P1 -.-> W["写屏障/Remembered Set<br/>缩短 Remark"]

晋升 4 条规则

flowchart TB
  R["对象晋升老年代"] --> R1["年龄晋升<br/>达 MaxTenuringThreshold<br/>默认 15 动态"]
  R --> R2["动态年龄判定<br/>同龄总和>50% 该年龄及更大全部晋升"]
  R --> R3["大对象晋升<br/>超 PretenureSizeThreshold<br/>直接老年代分配"]
  R --> R4["空间分配担保<br/>Survivor 装不下<br/>搬老年代"]

知识关系

⬆️ 前置（Prerequisite）

jvm-memory-model

🔄 延伸（Extends）

jvm-gc-concurrent jvm-gc-select-tune

⚡ 对比（Contrast）

三色标记并发机制— GC 算法讲'怎么做'，并发机制讲'怎么并发做'——是 GC 算法的并发实现

🎯 概念 📏 规则 ⚠️ 误区 🔍 追问 ✨ 口诀共 0 张卡，点击翻面