30. CMS和G1 GC的区别？G1为什么能避免STW？

标准答案

CMS（Concurrent Mark-Sweep） 和 G1（Garbage First）GC 都是为了解决 STW（Stop-The-World） 停顿问题而设计的垃圾回收器，它们的目标是减少长时间的停顿，但在实现上有显著不同。

• CMS GC：通过并发标记与清理阶段减少 STW 停顿，但最终仍有可能出现 Full GC。
• G1 GC：将堆划分为多个区域，采用 分代 与 增量 垃圾回收策略，进一步优化了 STW 停顿时间，并在大多数场景下有效避免长时间的停顿。

答案解析

1. CMS GC（Concurrent Mark-Sweep）

CMS 是一个旨在减少 STW 停顿的垃圾回收器，主要通过并发标记和清除阶段来实现减少停顿。其主要步骤包括：

• 初始标记阶段：STW，标记根对象。
• 并发标记阶段：与应用程序线程并发执行，标记可达对象。
• 重新标记阶段：STW，修正并发标记阶段可能产生的变化。
• 并发清理阶段：与应用程序线程并发执行，清理不可达对象。
• 重置阶段：STW，清理工作完成后，准备下一轮回收。

优点：

• 减少了停顿时间，因为标记与清理阶段可以与应用线程并行进行。
• 在老年代回收时，可以显著减少停顿时间。

缺点：

• CMS GC 可能会出现 Concurrent Mode Failure，即并发清理时老年代的空间不足，导致 Full GC，此时可能产生较长的停顿时间。
• 内存碎片问题：由于并发清理和标记，CMS 无法有效地整理堆内存，可能会导致内存碎片。

2. G1 GC（Garbage First）

G1 是为了解决 CMS 的不足而设计的一种垃圾回收器，它将堆内存划分为多个区域，并采用 增量回收 和 分代回收 策略，进一步优化了垃圾回收过程。其主要特点如下：

• 堆划分为多个区域：G1 将堆分为多个小的 区域（Region），这些区域有不同的大小，动态地为不同的对象分配内存。
• 增量回收：G1 的垃圾回收过程会尽量避免长时间的 STW 停顿，而是采用增量的方式分步进行。回收过程通过优化每次回收的时间来降低 STW 停顿。
• 预测停顿时间：G1 允许用户指定最大可接受的 STW 停顿时间，通过这种方式，G1 会尽量优化垃圾回收的时机和停顿时间，避免出现过长的停顿。
• 混合回收：G1 会同时回收新生代和老年代，并通过混合回收来减少长时间的停顿。

优点：

• 通过预测 STW 停顿时间，G1 可以更精确地控制垃圾回收的时间，从而有效避免长时间的 STW 停顿。
• 堆内存划分为多个区域，能根据实际的内存使用情况来动态调整回收策略，避免内存碎片。
• 更加平衡的性能，可以在大多数应用场景下避免出现长时间的 Full GC。

缺点：

• G1 的实现相对复杂，可能需要更多的配置和调优来达到最佳效果。
• 在一些小型应用场景中，G1 的性能可能不如其他 GC 算法（如 Parallel GC）。

3. G1 避免 STW 停顿的机制

G1 能有效避免长时间的 STW 停顿，主要得益于以下几个特点：

• 分区域管理：G1 将堆划分为多个小区域，而不是将堆划分为两个大块（如新生代和老年代）。这使得 G1 可以根据对象的年龄和存活情况更精确地分配内存，并选择合适的区域进行回收。
• 增量回收：G1 并不需要一次性回收所有的堆空间，而是分步进行回收。每次回收的时间被控制在一个较小的范围内，从而避免了长时间的停顿。
• 可调的 STW 时间目标：G1 提供了 -XX:MaxGCPauseMillis 参数，允许用户设置最大可接受的 GC 停顿时间，G1 会根据该目标动态调整垃圾回收策略，尽量避免超过设定的停顿时间。
• 并行与并发：G1 在标记和整理阶段能够与应用线程并行执行，进一步减少了 STW 停顿的时间。

4. CMS 与 G1 的对比

• 停顿时间：G1 相比 CMS 能更好地控制停顿时间，特别是对于大内存应用，G1 可以根据设定的目标停顿时间进行增量回收，避免长时间的 STW 停顿。而 CMS 在并发阶段可能出现 Concurrent Mode Failure，导致 Full GC，从而引起较长的停顿。
• 内存碎片：CMS 可能会出现内存碎片问题，而 G1 通过将堆划分为多个小区域，并进行混合回收，有效地减少了内存碎片。
• 老年代回收：CMS 在老年代回收时较为简单，但当老年代空间不足时，会进行 Full GC。而 G1 则通过混合回收新生代和老年代，能更平衡地管理回收过程。

5. 最佳实践

• G1 GC 调优：对于大型应用，特别是内存较大的应用，建议使用 G1 GC，并通过调整 -XX:MaxGCPauseMillis 等参数，合理控制垃圾回收的停顿时间。
• CMS 与 G1 选择：在需要低停顿的应用场景下，G1 更适合；而在一些内存较小、对回收时间要求不高的场景下，CMS 可能是一个不错的选择。

深入追问

• G1 GC 的增量回收机制如何在多核机器上进一步提高效率？
• CMS 和 G1 GC 在大规模分布式系统中的使用有何差异？
• G1 GC 的 STW 时间控制与 Full GC 的频率如何关联，如何进行性能监控？

相关面试题

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