第一章 引言

1.1 JVM 中垃圾收集的簡要概述

JVM（Java Virtual Machine）作為 Java 程序的運行時環境，負責將字節碼加載至內存并執行，同時也承擔著內存管理的重任。垃圾收集（Garbage Collection，簡稱 GC）是 JVM 中的一項核心機制，用于自動釋放不再被使用的內存對象，避免內存泄漏和 OOM（OutOfMemoryError）。

現代 JVM 實現了多種垃圾收集器，每種收集器都有其獨特的設計目標和適用場景，從最基本的單線程收集器到并發、并行、高吞吐、低延遲等收集器，為不同類型的應用提供了靈活的選擇。

1.2 選擇合適垃圾收集器的重要性

在生產環境中，選擇合適的垃圾收集器將直接影響系統性能和響應能力。以下幾個方面尤為關鍵：

• 吞吐量（Throughput）：垃圾收集與應用執行時間的比例。

• 停頓時間（Pause Time）：垃圾收集對應用線程的中斷時間。

• 并發能力：是否支持多線程并行或并發地進行垃圾回收操作。

選擇錯誤的收集器可能導致性能瓶頸、頻繁 Full GC、應用卡頓，甚至出現頻繁 OOM。

1.3 Serial Old 垃圾收集器簡介

Serial Old 是一種針對老年代的串行垃圾收集器，它是 Serial 收集器的老年代版本，使用單線程的標記-清除-整理（Mark-Compact）算法。盡管它在多核 CPU 的現代環境中并不高效，但由于實現簡單、性能預測性強，它仍在某些特定場景中發揮作用，例如：

• JVM 在 Client 模式下運行。

• 作為 CMS 的后備收集器（CMS 出現 Concurrent Mode Failure 時）。

• 嵌入式、小內存或單核環境。

本博客將全面解析 Serial Old 的工作機制、應用場景及其與其他收集器的對比，并輔以詳細的配置參數與示例代碼，以幫助讀者在實際工作中做出更精準的 GC 策略選擇。

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第二章 JVM 垃圾收集基礎

2.1 什么是垃圾收集？

垃圾收集是自動內存管理的一部分，用于回收不再被任何對象引用的內存資源。在 Java 中，開發者無需手動釋放內存，JVM 會定期通過 GC 機制進行掃描、標記和回收。

示例：對象失去引用

public class GCDemo {public static void main(String[] args) {Object obj = new Object();obj = null; // 原來的對象失去引用，變成垃圾對象System.gc(); // 建議 JVM 執行 GC}
}

2.2 JVM 中的垃圾收集工作原理

JVM 利用多種算法識別哪些對象是"垃圾"。其中，引用計數法因無法處理循環引用而被淘汰，現代 JVM 大多使用可達性分析（Reachability Analysis）。

• GC Roots：一組系統定義的起始點（如線程棧、靜態字段、JNI 等）。

• 可達對象：從 GC Roots 可達的對象被視為存活。

2.3 JVM 內存結構（Java 8）

Java 8 中的堆內存主要分為以下幾部分：

• 年輕代（Young Generation）：存儲新創建的對象，進一步細分為 Eden 和兩個 Survivor 區。

• 老年代（Old Generation）：存放從年輕代晉升的長期存活對象。

• 永久代（PermGen）：存儲類元信息、靜態字段等（Java 8 開始被 MetaSpace 替代，但仍存在于一些文檔描述中）。

圖示：堆內存結構

+------------------------------------------+
|                Java Heap                 |
+-----------------+------------------------+
|   Young Gen     |     Old Gen            |
|+-----+---------+|                        |
||Eden |Survivors||                        |
|+-----+---------+|                        |
+-----------------+------------------------+

不同代的對象使用不同的垃圾收集器進行回收。Serial Old 專注于老年代。

第三章 深入解析 Serial Old 垃圾收集器

3.1 Serial Old 是什么？

Serial Old 垃圾收集器是 Serial 垃圾收集器在老年代的實現版本，其主要特點如下：

• 串行（Single-threaded）：GC 階段只有一個線程工作，不具備并行能力。

• 老年代專屬：僅用于回收老年代對象。

• 使用 Mark-Compact（標記-清除-整理）算法：相比于 Mark-Sweep 算法，其在清除后會對對象進行壓縮整理，以減少碎片。

• 非增量、非并發：GC 期間，所有應用線程（Stop-The-World）都會被暫停，直到回收完成。

雖然 Serial Old 顯得比較原始，但其實現穩定、行為可預測，因此在以下幾種場景仍有應用價值：

• Client 模式下的默認老年代收集器；

• CMS 的后備方案（當 CMS 失敗時，Fallback 至 Serial Old）；

• 嵌入式、小內存設備或無并發能力的平臺；

• 用于測試和教學場景，便于調試 GC 行為。

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3.2 Serial Old 的適用場景

盡管現代應用多選擇并行或并發 GC，但 Serial Old 仍然適用于以下特定情境：

1. 單核或極低并發設備

如嵌入式設備、路由器、工控設備等，它們本身計算資源受限，無法有效利用并行 GC。

2. 對 GC 可預測性要求高的場景

由于其單線程、邏輯簡單，Serial Old 的 GC 行為可預測、易于調試，是性能調優中的一個理想參考對象。

3. 作為 CMS 的后備收集器

在 CMS 收集失敗（出現 Concurrent Mode Failure）時，JVM 會自動退回 Serial Old 進行一次完整的 Full GC。

4. 教學、實驗或分析場景

由于其可控性高、流程簡單，非常適合作為教學或 GC 日志分析的工具。

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3.3 Serial Old 的工作原理

Serial Old 使用的是“標記-清除-整理算法（Mark-Compact）”，其具體流程如下：

1. 標記（Mark）階段

• 從 GC Roots 出發，通過可達性分析（Graph Traversal）查找所有仍在被引用的對象；

• 所有被標記的對象被視為“存活”。

2. 清除（Sweep）階段

• 遍歷整個堆空間，將未被標記的對象視為垃圾，進行清除；

• 清除后會產生內存碎片。

3. 整理（Compact）階段

• 將存活對象壓縮到內存的一端，騰出連續的空閑區域，防止碎片；

• 整理過程中需要更新所有引用指針。

整體流程圖（文本）：

[堆初始狀態]
+--A--+--B--+--X--+--Y--+--Z--+
(其中 A/B 為存活對象，X/Y/Z 為垃圾對象)[標記階段]
標記 A、B[清除階段]
回收 X、Y、Z[整理階段]
+--A--+--B--+----------------+

這個過程是“Stop-The-World”的，意味著 GC 期間應用線程必須全部暫停，容易造成長時間停頓，尤其在堆較大時表現更明顯。

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3.4 Serial Old 的停頓機制

Serial Old 垃圾收集器采用完全的 Stop-The-World 模式，意味著：

• 在 GC 開始時，所有應用線程都會被暫停；

• GC 線程單線程執行；

• GC 完成后，應用線程才會恢復執行。

GC 日志示例

[Full GC (System.gc()) [Tenured: 2048K->512K(10240K), 0.0234560 secs] 4096K->1536K(20480K), [Perm: 2560K->2560K(21248K)], 0.0237890 secs]

說明：

• Tenured 表示老年代變化（2048K 回收至 512K）；

• 整體耗時為 0.0237890 秒；

• 發生的是一次 Full GC，使用的正是 Serial Old 收集器。

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3.5 Serial Old 與年輕代收集器的搭配

在 JVM 中，老年代收集器通常與年輕代收集器協同工作。Serial Old 常與 Serial 垃圾收集器（年輕代） 組合，構成完整的串行垃圾收集策略，適用于小型應用。

收集器組合示例：

年輕代收集器	老年代收集器	使用命令行參數
Serial	Serial Old	-XX:+UseSerialGC

這組組合適用于：

• 單核 CPU；

• 需要最大化可預測性；

• 對延遲要求不高的應用。

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3.6 Serial Old 的實現邏輯（簡要源碼級別概覽）

在 OpenJDK 中，Serial Old 的核心實現類如下：

• MarkSweepCompact：執行標記-清除-整理；

• CompactibleFreeListSpace：描述老年代的內存結構；

• GenMarkSweep：負責執行老年代的 Serial Old GC。

偽代碼簡化如下：

void do_full_gc() {mark();        // 標記存活對象sweep();       // 清除垃圾對象compact();     // 壓縮堆，清除碎片
}

雖然整體邏輯簡單，但在整理階段涉及地址計算、指針修復，因此仍需謹慎優化。

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第四章 Serial Old 與其他垃圾收集器的比較

在 Java 8 中，針對老年代的垃圾收集器主要有三種：Serial Old、Parallel Old 和 CMS。它們各自具備不同的設計目標和性能特性。本章將通過結構性對比，幫助開發者理解 Serial Old 與其他老年代垃圾收集器之間的差異，以便在特定場景下作出合適選擇。

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4.1 Serial Old vs Parallel Old

4.1.1 并發能力對比

特性	Serial Old	Parallel Old
是否多線程	否	是
回收算法	標記-清除-整理	標記-清除-整理
應用線程停頓	是（STW）	是（STW）
吞吐量	中等	高
實現復雜度	簡單	中等
適用場景	小堆、單核、Client	大堆、多核、Server

4.1.2 說明

• Parallel Old 是 Parallel Scavenge 年輕代收集器的老年代搭檔，適用于對吞吐量敏感的系統；

• Serial Old 則由于其單線程模型，不適合高并發環境，但在資源受限平臺仍有優勢；

• 兩者都采用 Mark-Compact 算法，但 Parallel Old 使用多線程并行壓縮以縮短 GC 時間。

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4.2 Serial Old vs CMS（Concurrent Mark Sweep）

4.2.1 對比表

特性	Serial Old	CMS（已廢棄）
是否多線程	否	是
并發能力	無	支持標記、清除階段并發
回收算法	標記-清除-整理	標記-清除（無整理）
內存碎片	少（有整理）	多（無整理）
STW 停頓	長	較短
失敗回退	-	Serial Old
適用場景	小堆、嵌入式、備用 GC	中等堆、低延遲、高響應需求

4.2.2 說明

• CMS（Concurrent Mark Sweep） 強調低停頓，但容易產生內存碎片；

• CMS 沒有整理（compact）過程，當出現 Promotion Failed 或 Concurrent Mode Failure 時，JVM 會自動切換回 Serial Old 執行 Full GC；

• CMS 在 Java 9 后被廢棄，G1 成為替代方案，但在 Java 8 中仍然是重要的低延遲回收器選擇。

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4.3 與 G1 的比較（補充）

盡管 G1 屬于后代收集器，但了解 Serial Old 與 G1 的差異有助于明確過渡路徑。

特性	Serial Old	G1（Java 9+ 默認）
分代結構	固定（Young/Old）	Region（動態劃分）
是否多線程	否	是
并發能力	否	是（并發標記、清理）
回收算法	Mark-Compact	Incremental Region-based
延遲可控	否	是
吞吐量	中等	中等

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4.4 如何選擇收集器？

應用類型	推薦收集器	原因
嵌入式 / 單核	Serial + Serial Old	簡潔、預測性強
高吞吐應用	Parallel + Parallel Old	最大化 CPU 利用率
響應時間敏感應用	CMS（或 G1）	停頓時間短，適合交互式系統
大堆 / 高并發	G1 或 ZGC	多線程回收、并發處理、低延遲

第五章 配置 Serial Old

要在 Java 應用中使用 Serial Old 垃圾收集器，開發者需要通過 JVM 啟動參數進行配置。本章將詳解 Serial Old 的啟用方式、相關 JVM 參數、常見組合方案，并提供適用于不同場景的配置示例。

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5.1 如何啟用 Serial Old 垃圾收集器

Serial Old 本身并不能獨立工作，它通常與年輕代的 Serial 收集器共同配置。完整啟用方式如下：

啟用命令

java -XX:+UseSerialGC -Xms256m -Xmx256m -jar yourApp.jar

該命令中：

• -XX:+UseSerialGC：啟用 Serial + Serial Old 收集器組合；

• -Xms 和 -Xmx 設置堆的初始與最大值（建議設置為相同，避免運行時動態擴容）。

一旦啟用 Serial GC，老年代自動采用 Serial Old，不需額外指定。

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5.2 核心配置參數說明

以下是與 Serial Old 配置密切相關的 JVM 參數：

參數	描述
-XX:+UseSerialGC	啟用 Serial 和 Serial Old 組合收集器
-XX:NewRatio=2	老年代與年輕代大小比例，默認值為 2
-XX:SurvivorRatio=8	Eden 與 Survivor 區大小比例
-Xms<size> / -Xmx<size>	設置堆的初始與最大內存大小
-XX:+PrintGCDetails	打印 GC 詳細日志
-XX:+PrintGCDateStamps	打印 GC 日志時間戳
-Xloggc:<file>	輸出 GC 日志到指定文件

示例：完整配置參數

java -Xms512m -Xmx512m \-XX:+UseSerialGC \-XX:NewRatio=2 \-XX:SurvivorRatio=8 \-XX:+PrintGCDetails \-XX:+PrintGCDateStamps \-Xloggc:./gc.log \-jar myApp.jar

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5.3 常見使用場景下的配置建議

場景一：嵌入式或資源受限環境

java -Xms128m -Xmx128m -XX:+UseSerialGC -jar app.jar

• 適用于內存資源極小的系統（如 ARM 單板機）；

• 配置簡單、穩定，避免多線程 GC 帶來的調度開銷。

場景二：教學/調試用途（查看 GC 行為）

java -Xms256m -Xmx256m \-XX:+UseSerialGC \-XX:+PrintGCDetails \-XX:+PrintGCDateStamps \-Xloggc:gc.log \-jar app-debug.jar

• 打印詳細 GC 日志便于分析 GC 階段和時間消耗；

• 常用于 GC 教程或性能測試。

場景三：CMS 回退配置（無需手動指定）

• 若應用使用 CMS（-XX:+UseConcMarkSweepGC），

• 當 CMS 發生 Concurrent Mode Failure，JVM 自動使用 Serial Old 做 Full GC；

• 可通過 PrintGCDetails 觀察 GC 類型判斷是否已回退。

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5.4 配置建議總結

應用類型	建議參數	補充說明
嵌入式 / 小型應用	-XX:+UseSerialGC	簡單、可預測性高
調試 / 教學用途	+UseSerialGC +PrintGCDetails	方便觀察 GC 日志
CMS 回退處理	默認包含 Serial Old	無需顯式啟用，CMS 失敗時自動切換

第六章 Serial Old 性能調優

雖然 Serial Old 垃圾收集器結構簡單，但合理的參數調優依然可以幫助開發者減少 GC 頻率、縮短停頓時間、提高回收效率。本章將從堆內存配置、晉升策略、GC 日志分析、對象生命周期控制等方面，系統講解如何優化 Serial Old 的運行性能。

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6.1 調優目標與原則

使用 Serial Old 時，調優目標主要聚焦在以下幾點：

• 控制 Full GC 的頻率和持續時間；

• 減少對象在老年代的駐留；

• 避免因堆空間不足引發頻繁 GC 或 OOM；

• 使 GC 行為更加可預測。

調優時遵循以下原則：

• 預分配足夠內存，減少動態擴容；

• 減少老年代晉升對象的比例；

• 通過日志掌握 GC 節奏和壓力點。

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6.2 堆內存參數調整

合理設置初始堆和最大堆，有助于降低 GC 次數和頻繁的內存擴容帶來的額外成本。

參數建議：

-Xms512m -Xmx512m    # 初始堆和最大堆設置為一致，防止動態調整
-XX:NewRatio=2       # 年輕代 : 老年代 = 1 : 2
-XX:SurvivorRatio=8  # Eden : Survivor = 8 : 1 : 1

配置解讀：

• 年輕代大，意味著更多對象可以在年輕代被清除，減少晉升到老年代的頻率；

• Survivor 空間適當調大，避免對象提前晉升。

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6.3 控制對象晉升到老年代的節奏

在 Serial Old 的使用中，老年代 GC（即 Full GC）是系統停頓的主要來源之一，因此減少對象進入老年代尤為重要。

晉升機制相關參數：

參數	描述
-XX:MaxTenuringThreshold=15	對象在 Survivor 區經歷幾次 GC 后晉升老年代
-XX:+PrintTenuringDistribution	打印對象年齡分布

示例：

-XX:MaxTenuringThreshold=10
-XX:+PrintTenuringDistribution

• 設置更高的晉升閾值，有助于讓短生命周期對象在年輕代被回收；

• 通過日志分析，找出哪些對象在晉升前存活較久，從而識別內存熱點。

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6.4 使用 GC 日志分析 GC 過程

打印 GC 日志是進行調優的基礎。通過觀察 GC 頻率、耗時、堆使用率等指標，可以判斷是否需要擴容、調整參數或優化代碼。

日志啟用示例：

-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:gc_serial.log

關鍵指標解析：

• [Full GC] 出現頻率：頻繁出現說明老年代壓力過大；

• Tenured: 使用比率：老年代使用接近上限時，GC 會變頻繁；

• GC 耗時：關注 STW 停頓時間，通常在毫秒到秒級不等；

示例日志片段：

2025-07-13T14:22:01.789+0800: 10.123: [Full GC (System.gc())[Tenured: 10240K->512K(10240K), 0.1234567 secs] 20480K->1536K(20480K), [Perm: 2560K->2560K(21248K)], 0.1237890 secs]

• 可見老年代幾乎被占滿，引發一次 Full GC；

• GC 效果較好，但 STW 達到了 123ms。

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6.5 分析 GC 熱點對象

利用工具進一步分析老年代對象存活情況，有助于識別內存泄漏風險與“長命對象”。

可用工具：

• JVisualVM：圖形界面觀察堆中熱點類與 GC 行為；

• MAT（Memory Analyzer Tool）：分析 heap dump，找出大對象與 GC roots 路徑；

• JFR（Java Flight Recorder）：可跟蹤對象生命周期和 GC 事件。

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6.6 避免手動調用 System.gc()

默認情況下，調用 System.gc() 會觸發一次 Full GC，使用 Serial Old 作為收集器時，會產生較長 STW 停頓，應避免在業務邏輯中顯式調用。

關閉自動調用選項：

-XX:+DisableExplicitGC

• 禁用顯式 Full GC 調用，有助于防止代碼中不必要的 GC 停頓。

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6.7 調優策略總結

調優策略	目的
增大年輕代比例	減少晉升至老年代的對象數量
延長對象晉升周期	提高 Survivor 區利用率
啟用 GC 日志	定位頻繁 GC、觀察堆壓力點
禁用 System.gc()	避免不必要的 Full GC
使用分析工具定位泄漏問題	優化內存結構和對象生命周期管理

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