面试题：深入分析Java垃圾回收机制中的并发与并行问题

Question

在Java垃圾回收过程中，并发和并行是关键概念。请深入剖析在不同垃圾回收器（如CMS和G1）中，并发回收和并行回收是如何实现的，包括它们在运行过程中面临的挑战（如写屏障、浮动垃圾等），以及为解决这些问题所采用的技术手段和设计理念。同时，阐述如何通过合理配置垃圾回收器参数来平衡应用程序的吞吐量和停顿时间。

Answer 1

CMS垃圾回收器

1. 并发回收实现：
   • CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾回收器采用多线程并发的方式进行标记和清除阶段。在标记阶段，它会使用多个线程与应用程序线程并发执行，尽量减少应用程序的停顿时间。
   • 初始标记（Initial Mark）：STW（Stop - The - World）阶段，标记出GC Roots能直接关联到的对象，速度很快。
   • 并发标记（Concurrent Mark）：与应用程序并发执行，从GC Roots开始遍历整个对象图，标记出所有存活对象。
   • 重新标记（Remark）：STW阶段，修正并发标记期间因应用程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录。
   • 并发清除（Concurrent Sweep）：与应用程序并发执行，回收垃圾对象占用的内存空间。
2. 并行回收实现：在初始标记和重新标记阶段，CMS使用多线程并行执行，以加快这两个STW阶段的速度，减少停顿时间。
3. 面临挑战：
   • 写屏障：在并发标记过程中，应用程序线程可能会修改对象的引用关系。为了确保标记的准确性，CMS使用写屏障（Write Barrier）技术。写屏障会在对象引用发生变化时，记录相关信息，以便在重新标记阶段能够正确更新标记结果。但写屏障会带来一定的性能开销，影响应用程序的运行速度。
   • 浮动垃圾：由于CMS在并发清除阶段应用程序仍在运行，这期间产生的垃圾无法在本次回收中处理，被称为浮动垃圾。如果浮动垃圾过多，可能导致在下次垃圾回收前就耗尽内存。
4. 解决手段和设计理念：
   • 写屏障优化：采用增量更新（Incremental Update）算法的写屏障，只记录新增的引用关系，减少写屏障带来的性能开销。
   • 浮动垃圾处理：CMS通过预留一部分内存空间（如老年代的一部分），来应对浮动垃圾，同时尽量缩短并发清除的时间，减少浮动垃圾的产生量。

G1垃圾回收器

1. 并发回收实现：
   • G1（Garbage - First）垃圾回收器同样采用并发方式进行垃圾回收。它将堆内存划分为多个大小相等的Region。
   • 初始标记（Initial Mark）：STW阶段，标记出GC Roots能直接关联到的对象，同时标记出Remembered Sets（记录从非本Region指向本Region的引用）。
   • 并发标记（Concurrent Mark）：与应用程序并发执行，从GC Roots开始遍历整个堆，标记出所有存活对象。在此过程中，更新Remembered Sets。
   • 最终标记（Final Mark）：STW阶段，处理并发标记阶段遗留的任务，如处理Remembered Sets的更新。
   • 筛选回收（Evacuation）：根据各个Region的垃圾回收价值和回收成本，选择部分Region进行回收，此阶段可以并行执行。
2. 并行回收实现：在初始标记、最终标记和筛选回收阶段，G1使用多线程并行执行，提高回收效率，减少停顿时间。
3. 面临挑战：
   • 写屏障：G1使用写屏障来维护Remembered Sets的一致性。由于G1的Region结构，写屏障需要处理不同Region之间的引用关系变化，复杂度较高，也会带来一定性能开销。
   • 浮动垃圾：与CMS类似，在并发标记和回收过程中，应用程序产生的垃圾为浮动垃圾。同时，G1需要在保证回收效率的同时，精确计算每个Region的垃圾回收价值，这增加了处理浮动垃圾的难度。
4. 解决手段和设计理念：
   • 写屏障优化：G1采用SATB（Snapshot - At - The - Beginning）算法的写屏障，记录对象引用关系的变化，相较于CMS的增量更新，能更精确地维护对象图状态，在一定程度上减少性能开销。
   • 浮动垃圾处理：G1通过动态调整Region的回收优先级，优先回收垃圾占比高且回收成本低的Region，以有效应对浮动垃圾。同时，合理控制并发标记和筛选回收的时间，减少浮动垃圾的积累。

垃圾回收器参数配置以平衡吞吐量和停顿时间

1. CMS相关参数：
   • -XX:ParallelCMSThreads：设置CMS并发阶段的线程数，增加此值可以加快并发标记和清除速度，但过多线程会增加CPU竞争，影响应用程序性能。适当调整此参数可以平衡停顿时间和吞吐量。
   • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：设置老年代空间占用达到此百分比时，启动CMS垃圾回收。如果设置过低，会频繁触发CMS回收，增加停顿时间；设置过高，可能导致老年代空间耗尽，引发Full GC。合理调整此参数可以避免不必要的停顿，提高吞吐量。
2. G1相关参数：
   • -XX:G1HeapRegionSize：设置G1 Region的大小，合适的Region大小可以提高回收效率。如果Region过大，可能导致回收不彻底；过小则会增加管理开销。根据应用程序对象的大小分布来调整此参数，有助于平衡停顿时间和吞吐量。
   • -XX:MaxGCPauseMillis：设置G1垃圾回收的最大停顿时间目标。G1会尽量满足此目标，但可能会影响吞吐量。如果设置过短，可能导致频繁回收，降低吞吐量；设置过长，则停顿时间可能不符合要求。通过适当调整此参数，可以在吞吐量和停顿时间之间找到平衡。