JVM GC之------标记清除 与 标记整理

JVM 标记 - 清除（Mark-Sweep）、标记 - 整理（Mark-Compact）

这两个都是垃圾回收算法，

作用：识别堆中死亡对象，回收内存；

区别在回收后怎么处理存活对象。

补充：还有复制算法，一般新生代用复制，老年代常用标记清除 / 标记整理。

一、标记 - 清除 Mark-Sweep

两个阶段：标记阶段 → 清除阶段

1. 标记：从 GC Roots 出发遍历，把所有存活对象打上标记。
2. 清除：扫描整个堆，没有标记的对象就是垃圾，直接回收；存活对象原地不动。

示意图简述

[存活][垃圾][存活][垃圾][存活]
标记后
[存活√][垃圾×][存活√][垃圾×][存活√]
清除后
[存活√][空闲][存活√][空闲][存活√]

✅优点

• 不需要移动对象，开销小；
• 不会损失内存，适合大量存活对象的场景（老年代）。

❌缺点

1. 内存碎片：回收后空闲内存是零散的。当要分配大对象时，找不到连续空间，提前触发 GC。
2. 两次扫描堆：标记扫一次，清除再扫一次，堆越大耗时越长。

应用：CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）就是标记清除。

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二、标记 - 整理 Mark-Compact

标记阶段和标记清除完全一样，区别在回收之后

1. 标记：GC Roots 遍历，标记存活对象。
2. 整理（压缩）：不是直接清垃圾。把所有存活对象向堆的一端移动、紧凑排列，全部挤在一起，然后一次性清理掉边界以外的全部垃圾。

[存活][垃圾][存活][垃圾][存活]
标记后
[存活√][垃圾×][存活√][垃圾×][存活√]
整理压缩后
[存活√][存活√][存活√][空闲空闲空闲]

✅优点

1. 无内存碎片，空闲内存是一整块连续空间，分配大对象很友好；
2. 内存分配简单，用指针碰撞（Bump The Pointer）即可。

❌缺点

1. 需要移动对象：移动对象还要更新所有引用地址，STW（Stop-The-World）时间更长，开销大。
2. 移动对象是全堆操作，堆越大，整理越慢。

应用：G1 的部分场景、Serial Old、Parallel Old 老年代收集器是标记整理。

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三、核心对比表

算法	步骤	是否移动对象	内存碎片	STW	适用场景
标记 - 清除	标记 → 清除	❌不移动	产生大量碎片	相对短	老年代，存活对象多，追求低 STW（CMS）
标记 - 整理	标记 → 移动压缩 → 清理	✅移动存活对象	无碎片	较长	老年代，希望避免碎片

四、面试高频问题

1. CMS 为什么不用标记整理？

CMS 主打并发低停顿，移动对象必须暂停所有用户线程（STW），代价极高，所以 CMS 选用标记清除，牺牲碎片换低 STW；碎片问题到阈值触发 Full GC。

2. 标记整理移动对象，引用怎么处理？

移动完存活对象后，更新所有指向这些对象的引用地址，让引用指向新位置。这个过程是 STW 里完成。

3. 复制算法和标记整理区别

复制：把存活对象复制到另一块空白内存，原区域全部清空；需要两块内存，浪费一半空间，适合新生代（存活对象少）。

标记整理：在同一块内存原地压缩，不需要额外内存。

五、CMS / G1 / ZGC 收集器

总览：

新生代：复制算法为主；

老年代：标记清除 / 标记整理；

收集器不是单一算法，很多是组合算法（新生代一套，老年代一套）。

1. Serial（串行收集器）

• 新生代：复制算法
• 老年代：Serial Old（Serial 收集器的老年代版本），标记 - 整理
• 特点：单线程收集，全程 STW；收集时用户线程全部暂停。
• 使用场景：客户端、内存很小的程序。
• 面试点：最古老收集器，单线程，STW 长。

2. Parallel（并行收集器）

Parallel Scavenge + Parallel Old

• 新生代 Parallel Scavenge：复制算法
• 老年代 Parallel Old：标记 - 整理
• 特点：多线程 GC，用户线程暂停；目标是可控吞吐量（吞吐量 = 运行代码时间 / 总时间）
• 关注点：优先保证吞吐量，而不是单次停顿时间。
• 面试：吞吐量优先收集器，适合后台计算型任务。

3. CMS（Concurrent Mark Sweep，并发标记清除）

• 新生代：复制算法
• 老年代：标记 - 清除算法
• 目标：低停顿，尽量和用户线程并发执行。

CMS 四个阶段：

1. 初始标记（STW）：只标记 GC Roots 直接引用对象，很快
2. 并发标记：和用户线程一起，遍历整个对象图（耗时最长，无 STW）
3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间用户线程修改产生的漏标对象
4. 并发清除：和用户线程并发，清理垃圾，不移动对象

CMS 缺点

1. 标记清除 → 内存碎片，碎片多了会触发 Full GC，此时会用 Serial Old 做标记整理压缩
2. 并发阶段占用 CPU，多核机器才划算
3. 浮动垃圾：并发清理时新产生的垃圾，本次 GC 无法回收，只能留到下一次
4. 不能等到老年代满了再 GC，要预留内存给并发阶段使用

重点：CMS 不压缩对象，所以才会碎片；如果要压缩就必须移动对象，移动对象无法并发，必须 STW。

4. G1（Garbage-First）

JDK9 默认收集器，区域化（Region），不再严格区分新生代老年代，逻辑上仍有年轻区、老年代区。

• 整体思想：标记整理，局部（Region 之间）使用复制算法
• 算法本质：
  • 全局：标记整理（不会产生内存碎片）
  • Region 内部回收存活对象时：复制到空闲 Region
• 工作流程：
  1. 初始标记（STW）
  2. 并发标记
  3. 最终标记（STW）
  4. 筛选回收（STW，挑选垃圾最多的 Region 优先回收，Garbage-First 名字来源）
• 特点：可预测停顿模型，用户可指定期望最大停顿时间。

和 CMS 区别：CMS 是整个老年代一起 GC；G1 只选垃圾最多的 Region，增量回收。

G1 回收后存活对象复制到别的 Region，天然整理，无碎片。

5. ZGC（Z Garbage Collector，JDK11+）

• 算法：标记 - 整理
• 核心目标：超低 STW，STW 时间几乎和堆大小无关，TB 级堆也可以做到毫秒级停顿
• 核心技术：读屏障 + 染色指针（Colored Pointer）

ZGC 几乎所有阶段都并发：标记、转移（移动对象）、重定位，只有短暂 STW。 移动对象的时候，引用还没来得及更新，靠染色指针记录对象新地址，访问时读屏障做转发。

• 特点：无内存碎片，支持超大堆，低延迟。

6. Shenandoah（JDK12+）

• 算法：标记整理
• 和 ZGC 思路接近：并发压缩，读屏障，低延迟
• 区别：Shenandoah 使用转发指针，ZGC 使用染色指针。

汇总表

收集器	新生代算法	老年代算法	特点
Serial + Serial Old	复制	标记 - 整理	单线程，STW 长
Parallel Scavenge + Parallel Old	复制	标记 - 整理	多线程，吞吐量优先
CMS	复制	标记 - 清除	并发低停顿，有碎片
G1	局部复制，全局标记整理	标记整理	Region 分区，可预测停顿，无碎片
ZGC	标记整理	标记整理	并发移动对象，毫秒级 STW
Shenandoah	标记整理	标记整理	并发压缩，转发指针

面试高频连环题

Q1：CMS 为什么不用标记整理？

标记整理需要移动对象，移动对象必须更新所有引用，这个过程没法并发，会产生很长 STW。CMS 的设计目标就是低停顿，所以选择标记清除，牺牲碎片。碎片严重时，会退化到 Serial Old 做 Full GC 压缩。

Q2：G1 是标记整理吗？为什么又说用到复制算法？

G1全局是标记整理，保证没有碎片；回收单个 Region 的时候，把存活对象复制到别的空闲 Region，这个局部动作就是复制。本质是通过复制来完成整理。

Q3：ZGC 标记整理，移动对象为什么几乎没有 STW？

ZGC 是并发转移。移动对象这个动作不需要暂停用户线程。依靠染色指针 + 读屏障：对象被移走之后，旧指针不会立刻修改；用户线程访问旧对象时触发读屏障，自动转发到新地址。只有非常短暂的 STW。

Q4：CMS 和 G1 的核心差异？

1. CMS：整个老年代统一扫描回收；G1：拆成 Region，优先回收垃圾最多区域
2. CMS：标记清除，产生碎片；G1：标记整理，无碎片
3. CMS：只能调并发阈值；G1 支持设置期望最大停顿时间，可预测

Q5：G1 和 ZGC 的区别？

• G1 的筛选回收阶段是 STW，停顿时间随堆变大缓慢上涨；
• ZGC 对象转移并发，STW 固定很小，堆多大影响不大，适合 TB 级大堆，超低延迟场景。

转载自 CSDN-专业IT技术社区

原文链接：https://blog.csdn.net/Evie_Wang/article/details/166255759