Java 中的垃圾回收：自 JDK 8 以來的進展

自 JDK 8 以來，Java 的垃圾收集 (GC) 經歷了重大演變，解決了延遲、暫停時間和記憶體開銷等常見挑戰。本文探討了這些進步，重點在於對開發人員從 JDK 8 等舊版本過渡到 JDK 17 和 JDK 21 等現代替代版本的實際影響。無論您是維護舊版應用程式還是規劃未來的遷移，了解這些更新都至關重要。

重點

1. 自 JDK 8 以來的改進：較新版本的 JDK 在記憶體管理和應用程式效能方面提供了顯著增強。
2. 了解 GC 選項：為您的應用程式選擇正確的垃圾收集器可以最佳化行為和資源使用。
3. 增量更新：分代 GC 模式和基於區域的堆佈局等進步已經改變了垃圾收集，提供了更好的可擴展性和效率。

Java 中的垃圾收集 (GC) 可自動化記憶體管理，使開發人員無需處理低階細節。 GC 的兩個主要目標是：

1. 快速分配：Java 使用執行緒本地分配緩衝區 (TLAB) 進行快速、無同步的記憶體分配。
2. 高效回收：GC 演算法透過壓縮和空閒清單等技術回收未使用的記憶體。

現代 Java GC 將堆分為兩代：

• 年輕代：儲存短暫的對象，收集頻繁但速度很快。
• 老一輩：儲存在多個 GC 週期中存活下來的長壽命物件。

這種劃分基於分代假設，該假設假設大多數物件都會在年輕時死亡，從而使年輕代收集比完整堆收集更有效。 Java 提供了多種 GC 演算法，每種演算法都針對特定用例量身定制：

垃圾收集器 焦點 用例 暫停時間 吞吐量 標題>

Garbage Collector	Focus	Use Case	Pause Time	Throughput
Serial GC	Low memory overhead	Small containers	Medium	Low
Parallel GC	High throughput	Batch processing or large datasets	High	High
G1 GC	Balanced performance	General-purpose, low-latency workloads	Medium-Low	Medium-High
ZGC	Ultra-low latency	Large-scale applications, low latency	Sub-millisecond	Medium
Shenandoah GC	Low latency	Large heaps, near-real-time processing	Very low	Medium

串行GC 記憶體開銷低 小容器 中 低 並行GC 高吞吐量 批次或大型資料集 高 高 G1 GC 平衡的性能 通用、低延遲工作負載 中低 中高 ZGC 超低延遲 大規模應用，低延遲 亞毫秒 中 謝南多厄GC 低延遲 大堆，近實時處理 非常低 中 表>

G1 GC 作為 JDK 9 中的預設收集器引入，使用基於區域的堆佈局並支援並發標記。這使得它可以在不停止應用程式執行緒的情況下確定活動性。透過將年輕代和老一代集合合併成更小的混合集合，G1 減少了暫停時間並提高了整體反應能力。

ZGC 專為超低延遲而設計，可以處理 TB 大小的堆，暫停時間在亞毫秒範圍內。它與應用程式線程同時執行大部分工作，非常適合需要一致響應能力的應用程序，例如雲端服務或金融系統。

ZGC 分代模式（在 JDK 21 中引入）透過應用分代假設來分離短壽命和長壽命對象，進一步提高吞吐量。

SPECjbb 2015 等基準測試表明，自 JDK 8 以來，現代 GC 演算法在吞吐量和延遲方面都有顯著改進：

• 並行 GC：從 JDK 8 到 JDK 17，吞吐量增加了 30%。
• G1 GC：從 JDK 8 到 JDK 17，吞吐量增加了 40% 以上。
• ZGC：與 JDK 21 中的分代模式相比，提高了 10%。

減少暫停時間

所有收集器的暫停時間都已大幅減少：

• 並行 GC：從 ~100ms 到 ~65ms。
• G1 GC：從 JDK 8 到 JDK 17 減少了 40%。
• ZGC：亞毫秒暫停。

由於記憶集和用於基於區域的集合的資料結構的最佳化，G1 GC 顯著減少了本機記憶體開銷。從 JDK 8 到 JDK 17，G1 的本機記憶體使用量幾乎減少了一半。為了更好地說明 GC 的實際應用，請考慮以下範例：

範例1：配置G1 GC

# Add these options to your JVM startup command
java -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=50 -Xmx2g -Xms2g -jar app.jar

此配置：

• 活化 G1 GC。
• 將目標最大暫停時間設定為 50 毫秒。
• 分配 2GB 堆記憶體。

調整 ZGC 以實現低延遲應用

java -XX:+UseZGC -Xms4g -Xmx4g -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=50 -jar app.jar

此設定：

• 使用 ZGC 實現超低延遲。
• 分配 4GB 堆記憶體。
• 調整軟引用的生命週期以實現更好的記憶體管理。

遷移到 JDK 8 以外的挑戰

雖然從 JDK 8 升級到更新版本（例如 JDK 17 或 21）可以帶來顯著的好處，但開發人員必須考慮：

• 相容性問題：某些程式庫或框架可能無法完全支援較新的 JDK 版本。
• 效能調優：每個 GC 都有特定的調優參數，可能需要調整這些參數才能獲得最佳效能。
• 暫存環境測試：在推出變更之前始終在非生產環境中進行徹底測試。

自 JDK 8 以來，Java 垃圾回收的進步非常顯著。隨著吞吐量、延遲和記憶體開銷的顯著改進，任何 Java 應用程式都需要升級到較新的 JDK 版本。

無論您執行小型容器或大型雲端服務，都有針對您的用例進行最佳化的 GC 演算法。因此，如果您仍在使用 JDK 8，那麼是時候實現飛躍並享受現代 Java 的效能優勢了。

有關更多信息，請觀看 Devoxx 比利時的有關 Java 中的垃圾收集的視頻：Stefan Johansson 自 JDK 8 以來的進展

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