垃圾收集器 ParNew、CMS 与三色标记

JVM 系列 · 第 7/12 篇
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开头：算法是方法论，收集器是落地实现

内存模型 与 对象分配 讲清了堆怎么分；本文从 三种经典收集算法 出发，重点剖析 ParNew + CMS 组合、三色标记 与 写屏障，并以电商订单系统为例给出可落地的 JVM 参数思路。

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一、分代收集理论

当前商用 JVM 普遍采用 分代收集：按对象存活周期把堆划分为 新生代 与 老年代，再按各代特点选算法。

区域	对象特征	常用算法
新生代	大量朝生夕死（约 99%）	复制算法
老年代	存活率高	标记-清除 或 标记-整理

老年代纯标记类算法往往比复制慢一个数量级以上，因此要让 短期对象尽量在 Minor GC 于 Survivor 内消化，减少晋升老年代与 Full GC 频率。

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二、三种基础收集算法

2.1 标记-复制（Copying）

把内存分成两块，每次只用一块；存活对象复制到另一块，再清空当前块。新生代默认策略，代价是 只使用一半空间（Eden + Survivor 是变体）。

2.2 标记-清除（Mark-Sweep）

先标记存活对象，再统一回收未标记对象。问题：效率（标记对象多时慢）与 碎片（产生大量不连续空闲）。

2.3 标记-整理（Mark-Compact）

标记过程同标记-清除，但后续让存活对象 向一端移动，再清理边界外内存。无碎片，但需移动对象，停顿通常更长。老年代 Serial Old、Parallel Old 等采用。

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三、常见垃圾收集器概览

没有「万能」收集器，只有 场景匹配。HotSpot 部分收集器对比如下（节选）：

收集器	区域	线程	算法	关注
Serial	新生代	单	复制	简单高效，STW
Serial Old	老年代	单	标记-整理	CMS 失败时的后备
Parallel Scavenge	新生代	多	复制	吞吐量
Parallel Old	老年代	多	标记-整理	JDK 8 默认老年代
ParNew	新生代	多	复制	与 CMS 搭配
CMS	老年代	并发	标记-清除	低停顿

3.1 Serial / Serial Old

单线程收集，工作时 Stop The World。简单、无线程交互开销，在单核或客户端仍有价值。Serial Old 在 JDK 5 及以前与 Parallel Scavenge 搭配，或作为 CMS 的 Concurrent Mode Failure 后备。

3.2 Parallel Scavenge + Parallel Old

Parallel Scavenge 是 Serial 的多线程版，关注 吞吐量 = 运行用户代码时间 / CPU 总时间。Parallel Old 为其老年代版。JDK 8 默认 新生代 -XX:+UseParallelGC、老年代 -XX:+UseParallelOldGC。

3.3 ParNew

与 Parallel Scavenge 类似的多线程复制收集器，但 能与 CMS 配合——Server 模式下除 Serial 外，它是 CMS 新生代的首选搭档。

参数：-XX:+UseParNewGC

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四、CMS 收集器详解

CMS（Concurrent Mark Sweep） 以 最短回收停顿 为目标，是 HotSpot 第一款 与用户线程并发 的老年代收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC）。

基于 标记-清除，过程比 Serial / Parallel 复杂，分 四步 + 重置：

阶段	STW	说明
初始标记	是	标记 GC Roots 直接关联对象，速度快
并发标记	否	从 GC Roots 遍历对象图，耗时长但与用户线程并发
重新标记	是	修正并发标记期间因用户线程运行导致的标记变动（漏标），用 增量更新
并发清理	否	清理未标记区域；此阶段新对象视为黑色不处理
并发重置	—	重置本次标记数据

4.1 优点与缺点

优点：并发收集、停顿短，适合注重体验的 Web 应用。

缺点：

1. CPU 敏感：并发阶段占用 CPU，与服务抢资源
2. 浮动垃圾：并发标记/清理期间产生的新垃圾只能下次 GC 处理
3. 碎片：标记-清除留下碎片；可 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection Full GC 后整理
4. Concurrent Mode Failure：上次 CMS 未完成又触发 GC，退化为 Serial Old 的 STW Full GC

4.2 CMS 常用参数

参数	说明
-XX:+UseConcMarkSweepGC	启用 CMS（老年代）
-XX:ConcGCThreads	并发 GC 线程数
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection	Full GC 后压缩整理
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction	多少次 Full GC 后压缩（0=每次）
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction	老年代占用达此比例触发 CMS（默认 92%）
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly	仅用设定阈值，不让 JVM 自动调高
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark	Remark 前做一次 Minor GC，减标记开销
-XX:+CMSParallelInitialMarkEnabled	初始标记多线程
-XX:+CMSParallelRemarkEnabled	重新标记多线程

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五、实战：亿级流量电商 ParNew + CMS 参数

大型电商后端多拆分为商品、库存、订单、促销等子系统。以 8G 机器、JVM 约 3G 堆 的 订单系统 为例。

5.1 初始配置的问题

-Xms3072M -Xmx3072M -Xss1M -XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M -XX:SurvivorRatio=8

未显式 -Xmn 时，动态年龄判定 可能导致对象过早进老年代、频繁 Full GC。

5.2 显式新生代

-Xms3072M -Xmx3072M -Xmn2048M -Xss1M -XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M -XX:SurvivorRatio=8

让短期对象尽量留在 Survivor，Minor GC 回收，少进老年代。

5.3 年龄与大对象

• Minor GC 间隔约 20–30 秒，多数对象几秒内变垃圾 → -XX:MaxTenuringThreshold=5（默认 15 偏大）
• -XX:PretenureSizeThreshold=1M：大对象（大 List/Map 缓存等）直接进老年代

5.4 选用 ParNew + CMS

内存 >4G 且对停顿敏感时，用 ParNew + CMS 替代 Parallel：

-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC

5.5 老年代 CMS 参数思路

长期存活对象：Spring Bean、线程池、初始化缓存等，通常 几十 MB 量级。促销高峰可能 瞬间大量订单 导致一批对象晋升老年代；估算 约半小时到一小时 一次 Full GC 可接受（高峰过后）。

碎片：Full GC 间隔长，可每次或两三次后整理：

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3

5.6 推荐组合示例

-Xms3072M -Xmx3072M -Xmn2048M -Xss1M
-XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M
-XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=5 -XX:PretenureSizeThreshold=1M
-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3

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六、三色标记算法

并发标记时应用线程仍在运行，引用可能变化，会出现 多标 与 漏标。漏标会把仍存活对象当垃圾删除，必须解决。

6.1 三色含义

颜色	含义
白	尚未被 GC 访问；结束时仍为白则不可达
灰	已访问，但至少有一个引用未扫描
黑	已访问且所有引用已扫描；黑不可能直接指向白（不经灰）

6.2 漏标示例

public class ThreeColorRemark {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        // 并发标记开始
        D d = a.b.d;   // 1. 读
        a.b.d = null;  // 2. 写
        a.d = d;       // 3. 写
    }
}
class A { B b = new B(); D d = null; }
class B { C c = new C(); D d = new D(); }
class C { }
class D { }

并发过程中 灰对象删除对白的引用、黑对象新增对白的引用 可能导致漏标。

6.3 两种修复思路

方案	思路	使用
增量更新	黑插入指向白的引用时记录，Remark 时以这些黑为根再扫	CMS
SATB（原始快照）	灰删除指向白的引用时记录，结束时以灰为根再扫，白标黑以保活	G1、Shenandoah

记录插入/删除通过 写屏障 实现。

6.4 写屏障与读屏障

赋值底层类似 *field = new_value。写屏障在赋值前后插入逻辑：

void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
    pre_write_barrier(field);           // 写前（SATB 记旧值）
    *field = new_value;
    post_write_barrier(field, new_value); // 写后（增量更新记新引用）
}

• SATB：pre_write_barrier 记录被覆盖的旧引用
• 增量更新：post_write_barrier 记录新引用

读屏障（如 ZGC）：在 D d = a.b.d 读字段前记录读到的对象；G1 用 SATB、CMS 用增量更新， partly 因 G1 Region 分散、深度重扫成本高。

6.5 多标：浮动垃圾

并发标记结束后，局部变量等 GC Root 销毁，已标记对象本轮不回收，称 浮动垃圾，不影响正确性。并发阶段 新对象直接标黑，本轮不清理，也算浮动垃圾。

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七、记忆集与卡表

Minor GC 做可达性分析时，若 整段老年代 都作为 Root 扫描，代价过高。记忆集（Remember Set） 记录 非收集区 → 收集区 的跨代引用；HotSpot 用 卡表（Card Table） 实现——字节数组，每卡页默认 512 字节（2^9），卡内任一字段有跨代指针则对应卡表项置 脏（1）。

GC 时只把 本代脏卡 加入 GC Roots。卡表由 写屏障 在跨代引用赋值时维护。

G1、ZGC 等 部分区域收集 同样面临跨 Region 引用，记忆集思想一致。

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八、小结

主题	要点
ParNew	多线程复制，专配 CMS
CMS	并发标记-清除，低停顿；注意碎片与 CMF
三色标记	解决并发标记漏标/多标
写屏障	CMS 增量更新；G1 SATB
调优	大堆 + 低延迟：-Xmn、年龄、ParNew+CMS、CMS 触发比例

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