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Java虚拟机面试题：垃圾收集（下）

31.知道哪些垃圾收集器？

JVM 的垃圾收集器主要分为两大类：分代收集器和分区收集器，分代收集器的代表是 CMS，分区收集器的代表是 G1 和 ZGC。

CMS 是第一个关注 GC 停顿时间（STW 的时间）的垃圾收集器，JDK 1.5 时引入，JDK9 被标记弃用，JDK14 被移除。

G1（Garbage-First Garbage Collector）在 JDK 1.7 时引入，在 JDK 9 时取代 CMS 成为了默认的垃圾收集器。

ZGC 是 JDK11 推出的一款低延迟垃圾收集器，适用于大内存低延迟服务的内存管理和回收，在 128G 的大堆下，最大停顿时间才 1.68 ms，性能远胜于 G1 和 CMS。

说说 Serial 收集器？

Serial 收集器是最基础、历史最悠久的收集器。

如同它的名字（串行），它是一个单线程工作的收集器，使用一个处理器或一条收集线程去完成垃圾收集工作。并且进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程，直到垃圾收集结束——这就是所谓的“Stop The World”。

Serial/Serial Old 收集器的运行过程如图：

说说 ParNew 收集器？

ParNew 收集器实质上是 Serial 收集器的多线程并行版本，使用多条线程进行垃圾收集。

ParNew/Serial Old 收集器运行示意图如下：

说说 Parallel Scavenge 收集器？

Parallel Scavenge 收集器是一款新生代收集器，基于标记-复制算法实现，也能够并行收集。和 ParNew 有些类似，但 Parallel Scavenge 主要关注的是垃圾收集的吞吐量——所谓吞吐量，就是 CPU 用于运行用户代码的时间和总消耗时间的比值，比值越大，说明垃圾收集的占比越小。

根据对象存活周期的不同会将内存划分为几块，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。

说说 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。

说说 Parallel Old 收集器？

Parallel Old 是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本，支持多线程并发收集，基于标记-整理算法实现。

说说 CMS 收集器？

以获取最短回收停顿时间为目标，采用“标记-清除”算法，分 4 大步进行垃圾收集，其中初始标记和重新标记会 STW，JDK 1.5 时引入，JDK9 被标记弃用，JDK14 被移除。

说说 Garbage First 收集器？

G1（Garbage-First Garbage Collector）在 JDK 1.7 时引入，在 JDK 9 时取代 CMS 成为了默认的垃圾收集器。G1 有五个属性：分代、增量、并行、标记整理、STW。

说说 ZGC 收集器？

ZGC 是 JDK 11 时引入的一款低延迟的垃圾收集器，最大特点是将垃圾收集的停顿时间控制在 10ms 以内，即使在 TB 级别的堆内存下也能保持较低的停顿时间。

它通过并发标记和重定位来避免大部分 Stop-The-World 停顿，主要依赖指针染色来管理对象状态。

• 标记对象的可达性：通过在指针上增加标记位，不需要额外的标记位即可判断对象的存活状态。
• 重定位状态：在对象被移动时，可以通过指针染色来更新对象的引用，而不需要等待全局同步。

适用于需要超低延迟的场景，比如金融交易系统、电商平台。

垃圾回收器的作用是什么？

垃圾回收器的核心作用是自动管理 Java 应用程序的运行时内存。它负责识别哪些内存是不再被应用程序使用的（即“垃圾”），并释放这些内存以便重新使用。

这一过程减少了程序员手动管理内存的负担，降低了内存泄漏和溢出错误的风险。

32.能详细说一下 CMS 收集器的垃圾收集过程吗？

CMS（Concurrent Mark Sweep）主要使用了标记-清除算法进行垃圾收集，分 4 大步：

• 初始标记（Initial Mark）：标记所有从 GC Roots 直接可达的对象，这个阶段需要 STW，但速度很快。
• 并发标记（Concurrent Mark）：从初始标记的对象出发，遍历所有对象，标记所有可达的对象。这个阶段是并发进行的，STW。
• 重新标记（Remark）：完成剩余的标记工作，包括处理并发阶段遗留下来的少量变动，这个阶段通常需要短暂的 STW 停顿。
• 并发清除（Concurrent Sweep）：清除未被标记的对象，回收它们占用的内存空间。

你提到了remark，那它remark具体是怎么执行的？三色标记法？

是的，remark 阶段通常会结合三色标记法来执行，确保在并发标记期间所有存活对象都被正确标记。目的是修正并发标记阶段中可能遗漏的对象引用变化。

在 remark 阶段，垃圾收集器会停止应用线程（STW），以确保在这个阶段不会有引用关系的进一步变化。这种暂停通常很短暂。remark 阶段主要包括以下操作：

1. 处理写屏障记录的引用变化：在并发标记阶段，应用程序可能会更新对象的引用（比如一个黑色对象新增了对一个白色对象的引用），这些变化通过写屏障记录下来。在 remark 阶段，GC 会处理这些记录，确保所有可达对象都正确地标记为灰色或黑色。
2. 扫描灰色对象：再次遍历灰色对象，处理它们的所有引用，确保引用的对象正确标记为灰色或黑色。
3. 清理：确保所有引用关系正确处理后，灰色对象标记为黑色，白色对象保持不变。这一步完成后，所有存活对象都应当是黑色的。

什么是三色标记法？

三色标记法用于标记对象的存活状态，它将对象分为三类：

1. 白色（White）：尚未访问的对象。垃圾回收结束后，仍然为白色的对象会被认为是不可达的对象，可以回收。
2. 灰色（Gray）：已经访问到但未标记完其引用的对象。灰色对象是需要进一步处理的。
3. 黑色（Black）：已经访问到并且其所有引用对象都已经标记过。黑色对象是完全处理过的，不需要再处理。

三色标记法的工作流程：

①、初始标记（Initial Marking）：从 GC Roots 开始，标记所有直接可达的对象为灰色。

②、并发标记（Concurrent Marking）：在此阶段，标记所有灰色对象引用的对象为灰色，然后将灰色对象自身标记为黑色。这个过程是并发的，和应用线程同时进行。

此阶段的一个问题是，应用线程可能在并发标记期间修改对象的引用关系，导致一些对象的标记状态不准确。

③、重新标记（Remarking）：重新标记阶段的目标是处理并发标记阶段遗漏的引用变化。为了确保所有存活对象都被正确标记，remark 需要在 STW 暂停期间执行。

④、**使用写屏障（Write Barrier）**来捕捉并发标记阶段应用线程对对象引用的更新。通过遍历这些更新的引用来修正标记状态，确保遗漏的对象不会被错误地回收。

33.G1 垃圾收集器了解吗？

G1 在 JDK 1.7 时引入，在 JDK 9 时取代 CMS 成为默认的垃圾收集器。

G1 把 Java 堆划分为多个大小相等的独立区域Region，每个区域都可以扮演新生代（Eden 和 Survivor）或老年代的角色。

同时，G1 还有一个专门为大对象设计的 Region，叫 Humongous 区。

大对象的判定规则是，如果一个大对象超过了一个 Region 大小的 50%，比如每个 Region 是 2M，只要一个对象超过了 1M，就会被放入 Humongous 中。

这种区域化管理使得 G1 可以更灵活地进行垃圾收集，只回收部分区域而不是整个新生代或老年代。

G1 收集器的运行过程大致可划分为这几个步骤：

①、并发标记，G1 通过并发标记的方式找出堆中的垃圾对象。并发标记阶段与应用线程同时执行，不会导致应用线程暂停。

②、混合收集，在并发标记完成后，G1 会计算出哪些区域的回收价值最高（也就是包含最多垃圾的区域），然后优先回收这些区域。这种回收方式包括了部分新生代区域和老年代区域。

选择回收成本低而收益高的区域进行回收，可以提高回收效率和减少停顿时间。

③、可预测的停顿，G1 在垃圾回收期间仍然需要「Stop the World」。不过，G1 在停顿时间上添加了预测机制，用户可以 JVM 启动时指定期望停顿时间，G1 会尽可能地在这个时间内完成垃圾回收。

34.有了 CMS，为什么还要引入 G1？

特性	CMS	G1
设计目标	低停顿时间	可预测的停顿时间
并发性	是	是
内存碎片	是，容易产生碎片	否，通过区域划分和压缩减少碎片
收集代数	年轻代和老年代	整个堆，但区分年轻代和老年代
并发阶段	并发标记、并发清理	并发标记、并发清理、并发回收
停顿时间预测	较难预测	可配置停顿时间目标
容易出现的问题	内存碎片、Concurrent Mode Failure	较少出现长时间停顿

CMS 适用于对延迟敏感的应用场景，主要目标是减少停顿时间，但容易产生内存碎片。G1 则提供了更好的停顿时间预测和内存压缩能力，适用于大内存和多核处理器环境。

35.你们线上用的什么垃圾收集器？为什么要用它？

我们生产环境中采用了设计比较优秀的 G1 垃圾收集器，因为它不仅能满足低停顿的要求，而且解决了 CMS 的浮动垃圾问题、内存碎片问题。

G1 非常适合大内存、多核处理器的环境。

以上是比较符合面试官预期的回答，但实际上，大多数情况下我们可能还是使用的 JDK 8 默认垃圾收集器。

可以通过以下命令查看当前 JVM 的垃圾收集器：

java">java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

UseParallelGC = Parallel Scavenge + Parallel Old，表示新生代用Parallel Scavenge收集器，老年代使用Parallel Old 收集器。

因此你也可以这样回答：我们系统的业务相对复杂，但并发量并不是特别高，所以我们选择了适用于多核处理器、能够并行处理垃圾回收任务，且能提供高吞吐量的Parallel GC。

但这个说法不讨喜，你也可以回答：

我们系统采用的是 CMS 收集器，能够最大限度减少应用暂停时间。

工作中项目使用的什么垃圾回收算法？

我们生产环境中采用了设计比较优秀的 G1 垃圾收集器，G1 采用的是分区式标记-整理算法，将堆划分为多个区域，按需回收，适用于大内存和多核环境，能够同时考虑吞吐量和暂停时间。

或者：

我们系统采用的是 CMS 收集器，CMS 采用的是标记-清除算法，能够并发标记和清除垃圾，减少暂停时间，适用于对延迟敏感的应用。

再或者：

我们系统采用的是 Parallel 收集器，Parallel 采用的是年轻代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法，适用于高吞吐量要求的应用。

36.垃圾收集器应该如何选择？

垃圾收集器的选择需要权衡的点还是比较多的——例如运行应用的基础设施如何？使用 JDK 的发行商是什么？等等……

这里简单地列一下上面提到的一些收集器的适用场景：

• Serial ：如果应用程序有一个很小的内存空间（大约 100 MB）亦或它在没有停顿时间要求的单线程处理器上运行。
• Parallel：如果优先考虑应用程序的峰值性能，并且没有时间要求要求，或者可以接受 1 秒或更长的停顿时间。
• CMS/G1：如果响应时间比吞吐量优先级高，或者垃圾收集暂停必须保持在大约 1 秒以内。
• ZGC：如果响应时间是高优先级的，或者堆空间比较大。