JVM中的垃圾回收暫停是什么？
在Java虛擬機（JVM）中，垃圾回收暫停（Garbage Collection Pause），也稱為“Stop-The-World”事件，是指當垃圾收集器執行特定階段時，所有應用程序線程都會被暫時停止，直到該階段完成。這種暫停是為了確保垃圾收集過程能夠正確地識別和回收不再使用的對象而不受到其他線程的干擾。
為什么會出現暫停？
出現暫停的主要原因是為了保證數據一致性：
- 標記階段：在許多垃圾收集算法中，如標記-清除（Mark-Sweep）、復制（Copying）、標記-整理（Mark-Compact），都需要首先確定哪些對象是存活的（即仍有引用指向它們），哪些是可以回收的。為了準確地識別這些信息，JVM必須保證在這段時間內沒有其他線程修改對象圖，否則可能會導致錯誤地將存活的對象標記為可回收，或者反之亦然。因此，在標記階段，所有用戶線程會被暫停。
- 移動對象：對于某些類型的垃圾收集器，比如那些使用壓縮技術來減少內存碎片化的收集器（例如CMS和G1中的某些模式），它們不僅需要識別哪些對象是活的，還需要移動這些對象以釋放連續的空間。如果在這個過程中允許其他線程繼續運行，則可能導致指針丟失或指向無效位置的問題。為了避免這種情況，也需要暫停所有應用線程。
- 并發標記的限制：
盡管有些現代垃圾收集器（如CMS、G1、ZGC等）設計為可以在大部分時間內與應用程序并發運行，但在某些關鍵點上仍然不可避免地需要短暫的停頓。例如，在CMS中，雖然大部分工作可以并行于應用線程進行，但在初始標記和重新標記階段仍需短暫停頓；而在G1中，雖然大多數收集活動都可以并發執行，但最終的清理和部分標記階段也可能需要短暫的STW事件。 - 簡化實現：從實現角度來看，完全避免STW事件會使垃圾收集器的設計變得極其復雜。通過引入有限的STW時段，可以使垃圾收集器的設計更加簡單高效，同時也能更好地控制內存管理的準確性。
如何減少GC暫停的影響？
雖然完全消除GC暫停是不可能的，但是可以通過選擇合適的垃圾收集器以及調整其參數來最小化這些暫停的影響：
- 選擇適當的GC算法：不同的GC算法有不同的特性。例如，G1旨在提供更可預測的停頓時間，并且允許設置最大停頓目標。
- 優化堆大小：合理配置堆內存大小（-Xms, -Xmx）可以幫助減少頻繁的GC操作，尤其是Full GC的發生頻率。
- 調整新生代與老年代的比例：適當調整新生代(-XX:NewRatio)的大小有助于減少對象晉升到老年代的速度，從而降低老年代的GC壓力。
- 使用低延遲GC：像ZGC和Shenandoah這樣的新型垃圾收集器專門設計用于最大限度地減少停頓時間，適合對延遲敏感的應用程序。
不同垃圾回收機制下的暫停對比
不同的垃圾收集器有不同的工作方式，這直接影響了它們如何處理暫停以及暫停的頻率和持續時間。
1. Serial GC
- 描述：單線程垃圾收集器，適用于單核處理器環境或小型應用。
- 暫停特性：所有的GC操作都是串行執行的，這意味著每次GC都會導致一次完整的Stop-The-World暫停。由于它是單線程的，所以暫停時間相對較長，尤其是在處理大堆時。
2. Parallel GC
- 描述：多線程版本的Serial GC，適用于多核處理器上的高吞吐量需求場景。
- 暫停特性：雖然Young Generation和Old Generation的收集可以并行執行，但仍然涉及Stop-The-World暫停。相比Serial GC，它減少了總的GC暫停時間，因為多個線程同時工作，但是每個暫停事件仍然是全系統的。
3. CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC
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描述：旨在減少GC停頓時間的老年代收集器，適合響應時間敏感的應用。
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暫停特性：
- 初始標記：短暫的STW事件，標記直接從根可達的對象。
- 并發標記：與應用程序并發進行，不造成停頓。
- 再標記：另一個短暫停頓，用于修正并發標記期間發生的變動。
- 并發清除：與應用程序并發進行，清理未被標記為存活的對象。
盡管大部分工作可以在后臺進行而不影響應用程序，但在初始標記和再標記階段仍會有短暫的暫停。
4. G1 GC
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描述：一種區域化的垃圾收集器，旨在提供可預測的低延遲。
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暫停特性：
- Young GC：主要針對年輕代，通常具有較短的停頓時間。
- Mixed GC：包括年輕代和部分老年代的收集，目標是在不超過設定的最大停頓時間內盡可能多地回收垃圾。
- Full GC：作為最后手段，在G1無法滿足性能目標時觸發，這會導致較長的停頓。
G1通過分區策略和增量式收集來盡量縮短停頓時間，并允許設置期望的最大停頓時間（
-XX:MaxGCPauseMillis）。
5. ZGC
- 描述：專為低延遲設計的垃圾收集器，支持非常大的堆（TB級別）。
- 暫停特性：幾乎所有的GC工作都可以并發執行，只有少量且非常短暫的STW事件用于根掃描等關鍵步驟。這些暫停通常在幾毫秒以內，極大地減少了對應用程序的影響。
6. Shenandoah
- 描述：類似于ZGC，專注于極低的暫停時間，支持大堆大小。
- 暫停特性：除了極少的、非常短的STW事件外，幾乎所有的工作都可以與應用線程并發執行。Shenandoah通過轉發指針技術解決了并發移動對象的問題，從而實現了更低的暫停時間。
總結
不同的垃圾收集器根據其設計目標提供了不同程度的停頓優化。對于需要最小化GC停頓的應用程序，如實時系統或對響應時間敏感的服務，選擇像ZGC或Shenandoah這樣的現代垃圾收集器可能是最佳選擇。而對于更注重吞吐量的應用，可能更適合使用Parallel GC或CMS。
