面试题：Java串行垃圾回收在高并发场景下的缺点及优化思路

Question

当Java应用处于高并发场景时，串行垃圾回收器会暴露出一些缺点。请详细阐述这些缺点，并提出至少两种可行的优化思路，包括但不限于从垃圾回收器参数调整、应用架构优化等方面进行分析。

Answer 1

串行垃圾回收器在高并发场景下的缺点

1. 停顿时间长：串行垃圾回收器在进行垃圾回收时，会停止应用程序的所有线程（即 STW，Stop-The-World）。在高并发场景下，应用程序处理的请求量大，长时间的停顿会导致请求响应延迟，严重影响用户体验。
2. 吞吐量低：由于高并发场景下应用程序需要持续处理大量请求，而串行垃圾回收器工作时应用程序线程被挂起，这使得应用程序实际处理业务逻辑的时间占比降低，整体吞吐量下降。
3. 不适用于多核环境：现代服务器大多是多核处理器，串行垃圾回收器仅使用单线程进行垃圾回收，无法充分利用多核的优势，造成硬件资源浪费。

优化思路

垃圾回收器参数调整

1. 切换至并行垃圾回收器：
   • 说明：并行垃圾回收器使用多线程进行垃圾回收，能够显著减少垃圾回收的停顿时间。可以通过设置-XX:+UseParallelGC参数来启用并行垃圾回收器。对于新生代回收，它使用多线程并行工作，而老年代回收依然是串行的，但整体性能在高并发场景下会有很大提升。
   • 示例：在启动Java应用时，添加参数java -XX:+UseParallelGC -Xmx2g -Xms2g YourMainClass，这里-Xmx2g -Xms2g分别设置了堆内存的最大和初始大小。
2. 使用并发标记清除（CMS）垃圾回收器：
   • 说明：CMS垃圾回收器以获取最短停顿时间为目标，在垃圾回收过程中，尽量让应用程序线程和垃圾回收线程并发执行。它主要分为初始标记、并发标记、重新标记、并发清除四个阶段。初始标记和重新标记阶段仍会产生短暂的STW，但由于并发标记和并发清除阶段应用程序线程可以继续运行，所以整体停顿时间会大幅减少，适合高并发场景下对响应时间敏感的应用。可以通过-XX:+UseConcMarkSweepGC参数启用。
   • 示例：java -XX:+UseConcMarkSweepGC -Xmx2g -Xms2g YourMainClass。同时，还可以通过-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction参数设置老年代空间使用达到多少比例时触发CMS垃圾回收，例如-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70表示老年代使用达到70%时触发回收。

应用架构优化

1. 减少对象创建：
   • 说明：在高并发场景下，频繁创建对象会导致垃圾回收压力增大。可以通过对象池技术来复用对象，减少对象的创建和销毁次数。例如，数据库连接池、线程池等，这些对象池在初始化时创建一定数量的对象，当有需求时从池中获取对象，使用完毕后归还到池中，而不是每次都创建新的对象。
   • 示例：以数据库连接池HikariCP为例，在Java应用中配置HikariCP连接池，在应用启动时初始化一定数量的数据库连接，代码如下：

HikariConfig config = new HikariConfig();
config.setJdbcUrl("jdbc:mysql://localhost:3306/yourdatabase");
config.setUsername("yourusername");
config.setPassword("yourpassword");
config.setMaximumPoolSize(10);
HikariDataSource dataSource = new HikariDataSource(config);

2. 优化数据结构：
   • 说明：选择合适的数据结构可以减少内存的使用和垃圾回收的频率。例如，使用数组替代链表在某些场景下可以减少对象的创建，因为链表每个节点都是一个单独的对象。另外，对于一些缓存数据，可以使用弱引用（WeakReference）或软引用（SoftReference）来管理，当内存不足时，这些引用指向的对象可以被垃圾回收器回收，从而避免内存泄漏和减少垃圾回收压力。
   • 示例：使用弱引用缓存数据：

WeakHashMap<String, Object> weakCache = new WeakHashMap<>();
weakCache.put("key", new Object());

这里WeakHashMap中的值如果没有其他强引用指向，在垃圾回收时可能会被回收。