41. 为什么 GC 可能导致应用长时间停顿？如何降低 STW 时间？

标准答案

GC 可能导致应用长时间停顿（Stop-The-World, STW），主要原因是垃圾回收过程中某些阶段必须暂停所有应用线程，以保证内存一致性。例如，Full GC 需要遍历整个堆，导致长时间 STW。降低 STW 时间的关键在于优化 GC 机制，如采用并发回收（如 G1、ZGC、Shenandoah）、调整堆内存参数（如 -Xms、-Xmx）、减少晋升失败和避免频繁 Full GC。

答案解析

STW 发生的主要原因包括：

1. GC 需要遍历整个堆
   例如 CMS、G1 在 Full GC 时，GC 线程必须遍历整个堆，导致应用线程长时间无法运行。

2. Root Scanning（根对象扫描）
   GC 需要扫描 GC Roots（如静态变量、线程栈等），如果对象过多，扫描时间变长，导致 STW 延长。

3. 对象移动和压缩
   标记-整理（Mark-Compact）算法需要整理内存，避免碎片化，但整理过程涉及大量对象移动，可能导致 STW 增长。

4. 晋升失败（Promotion Failure）
   年轻代对象晋升到老年代时，如果老年代空间不足，可能触发 Full GC，而 Full GC 需要完全暂停应用线程。

5. Metaspace 内存管理
   如果 Metaspace 过大或类加载频繁，GC 可能需要长时间清理无用类元数据，导致 STW 延长。

降低 STW 时间的方法：

1. 选择低延迟 GC

   • G1 GC：通过 Region 设计并发回收，避免长时间 Full GC。
   • ZGC：基于染色指针和读屏障，最大化并发，STW <1ms。
   • Shenandoah GC：采用并发压缩算法，避免 Full GC 造成的长时间停顿。

2. 调整 JVM 参数

   • 合理设置堆大小（-Xms、-Xmx）：避免频繁 GC 造成的停顿。
   • 优化新生代比例（-XX:NewRatio）：提高吞吐量，减少晋升失败。
   • 开启 GC 日志（-Xlog:gc）：监控 GC 行为，分析 STW 发生原因。

3. 减少大对象分配

   • 大对象（如 1MB+ 数组）直接进入老年代，可能加速 Full GC，尽量使用对象池。

4. 减少类加载开销

   • 过多的动态类加载（如反射、字节码生成）可能导致 Metaspace OOM，建议定期回收无用类（-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark）。

深入追问

1. 为什么 CMS 的 Full GC 仍然会 STW？

   • CMS 采用并发回收，但在 Full GC 时仍然需要 "Final Remark" 进行根对象扫描，导致 STW。

2. G1 的并发回收如何降低 STW？

   • G1 采用 "Mixed GC"，先并发回收部分老年代，减少一次性回收的压力，从而降低 STW。

3. ZGC 是如何做到 STW <1ms 的？

   • ZGC 通过染色指针 + 读屏障，在对象访问时完成并发回收，避免 GC 过程中的集中停顿。

相关面试题

• Full GC 触发的原因是什么？如何避免？
• G1、ZGC、Shenandoah 适用于哪些业务场景？
• GC 日志如何分析 STW 发生的时间和原因？