垃圾收集器-Serial Old

第一章 引言

1.1 JVM 中垃圾收集的简要概述

JVM（Java Virtual Machine）作为 Java 程序的运行时环境，负责将字节码加载至内存并执行，同时也承担着内存管理的重任。垃圾收集（Garbage Collection，简称 GC）是 JVM 中的一项核心机制，用于自动释放不再被使用的内存对象，避免内存泄漏和 OOM（OutOfMemoryError）。

现代 JVM 实现了多种垃圾收集器，每种收集器都有其独特的设计目标和适用场景，从最基本的单线程收集器到并发、并行、高吞吐、低延迟等收集器，为不同类型的应用提供了灵活的选择。

1.2 选择合适垃圾收集器的重要性

在生产环境中，选择合适的垃圾收集器将直接影响系统性能和响应能力。以下几个方面尤为关键：

• 吞吐量（Throughput）：垃圾收集与应用执行时间的比例。

• 停顿时间（Pause Time）：垃圾收集对应用线程的中断时间。

• 并发能力：是否支持多线程并行或并发地进行垃圾回收操作。

选择错误的收集器可能导致性能瓶颈、频繁 Full GC、应用卡顿，甚至出现频繁 OOM。

1.3 Serial Old 垃圾收集器简介

Serial Old 是一种针对老年代的串行垃圾收集器，它是 Serial 收集器的老年代版本，使用单线程的标记-清除-整理（Mark-Compact）算法。尽管它在多核 CPU 的现代环境中并不高效，但由于实现简单、性能预测性强，它仍在某些特定场景中发挥作用，例如：

• JVM 在 Client 模式下运行。

• 作为 CMS 的后备收集器（CMS 出现 Concurrent Mode Failure 时）。

• 嵌入式、小内存或单核环境。

本博客将全面解析 Serial Old 的工作机制、应用场景及其与其他收集器的对比，并辅以详细的配置参数与示例代码，以帮助读者在实际工作中做出更精准的 GC 策略选择。

第二章 JVM 垃圾收集基础

2.1 什么是垃圾收集？

垃圾收集是自动内存管理的一部分，用于回收不再被任何对象引用的内存资源。在 Java 中，开发者无需手动释放内存，JVM 会定期通过 GC 机制进行扫描、标记和回收。

示例：对象失去引用

public class GCDemo {public static void main(String[] args) {Object obj = new Object();obj = null; // 原来的对象失去引用，变成垃圾对象System.gc(); // 建议 JVM 执行 GC}
}

2.2 JVM 中的垃圾收集工作原理

JVM 利用多种算法识别哪些对象是"垃圾"。其中，引用计数法因无法处理循环引用而被淘汰，现代 JVM 大多使用可达性分析（Reachability Analysis）。

• GC Roots：一组系统定义的起始点（如线程栈、静态字段、JNI 等）。

• 可达对象：从 GC Roots 可达的对象被视为存活。

2.3 JVM 内存结构（Java 8）

Java 8 中的堆内存主要分为以下几部分：

• 年轻代（Young Generation）：存储新创建的对象，进一步细分为 Eden 和两个 Survivor 区。

• 老年代（Old Generation）：存放从年轻代晋升的长期存活对象。

• 永久代（PermGen）：存储类元信息、静态字段等（Java 8 开始被 MetaSpace 替代，但仍存在于一些文档描述中）。

图示：堆内存结构

+------------------------------------------+
|                Java Heap                 |
+-----------------+------------------------+
|   Young Gen     |     Old Gen            |
|+-----+---------+|                        |
||Eden |Survivors||                        |
|+-----+---------+|                        |
+-----------------+------------------------+

不同代的对象使用不同的垃圾收集器进行回收。Serial Old 专注于老年代。

第三章 深入解析 Serial Old 垃圾收集器

3.1 Serial Old 是什么？

Serial Old 垃圾收集器是 Serial 垃圾收集器在老年代的实现版本，其主要特点如下：

• 串行（Single-threaded）：GC 阶段只有一个线程工作，不具备并行能力。

• 老年代专属：仅用于回收老年代对象。

• 使用 Mark-Compact（标记-清除-整理）算法：相比于 Mark-Sweep 算法，其在清除后会对对象进行压缩整理，以减少碎片。

• 非增量、非并发：GC 期间，所有应用线程（Stop-The-World）都会被暂停，直到回收完成。

虽然 Serial Old 显得比较原始，但其实现稳定、行为可预测，因此在以下几种场景仍有应用价值：

• Client 模式下的默认老年代收集器；

• CMS 的后备方案（当 CMS 失败时，Fallback 至 Serial Old）；

• 嵌入式、小内存设备或无并发能力的平台；

• 用于测试和教学场景，便于调试 GC 行为。

3.2 Serial Old 的适用场景

尽管现代应用多选择并行或并发 GC，但 Serial Old 仍然适用于以下特定情境：

1. 单核或极低并发设备

如嵌入式设备、路由器、工控设备等，它们本身计算资源受限，无法有效利用并行 GC。

2. 对 GC 可预测性要求高的场景

由于其单线程、逻辑简单，Serial Old 的 GC 行为可预测、易于调试，是性能调优中的一个理想参考对象。

3. 作为 CMS 的后备收集器

在 CMS 收集失败（出现 Concurrent Mode Failure）时，JVM 会自动退回 Serial Old 进行一次完整的 Full GC。

4. 教学、实验或分析场景

由于其可控性高、流程简单，非常适合作为教学或 GC 日志分析的工具。

3.3 Serial Old 的工作原理

Serial Old 使用的是“标记-清除-整理算法（Mark-Compact）”，其具体流程如下：

1. 标记（Mark）阶段

• 从 GC Roots 出发，通过可达性分析（Graph Traversal）查找所有仍在被引用的对象；

• 所有被标记的对象被视为“存活”。

2. 清除（Sweep）阶段

• 遍历整个堆空间，将未被标记的对象视为垃圾，进行清除；

• 清除后会产生内存碎片。

3. 整理（Compact）阶段

• 将存活对象压缩到内存的一端，腾出连续的空闲区域，防止碎片；

• 整理过程中需要更新所有引用指针。

整体流程图（文本）：

[堆初始状态]
+--A--+--B--+--X--+--Y--+--Z--+
(其中 A/B 为存活对象，X/Y/Z 为垃圾对象)[标记阶段]
标记 A、B[清除阶段]
回收 X、Y、Z[整理阶段]
+--A--+--B--+----------------+

这个过程是“Stop-The-World”的，意味着 GC 期间应用线程必须全部暂停，容易造成长时间停顿，尤其在堆较大时表现更明显。

3.4 Serial Old 的停顿机制

Serial Old 垃圾收集器采用完全的 Stop-The-World 模式，意味着：

• 在 GC 开始时，所有应用线程都会被暂停；

• GC 线程单线程执行；

• GC 完成后，应用线程才会恢复执行。

GC 日志示例

[Full GC (System.gc()) [Tenured: 2048K->512K(10240K), 0.0234560 secs] 4096K->1536K(20480K), [Perm: 2560K->2560K(21248K)], 0.0237890 secs]

说明：

• Tenured 表示老年代变化（2048K 回收至 512K）；

• 整体耗时为 0.0237890 秒；

• 发生的是一次 Full GC，使用的正是 Serial Old 收集器。

3.5 Serial Old 与年轻代收集器的搭配

在 JVM 中，老年代收集器通常与年轻代收集器协同工作。Serial Old 常与 Serial 垃圾收集器（年轻代） 组合，构成完整的串行垃圾收集策略，适用于小型应用。

收集器组合示例：

这组组合适用于：

• 单核 CPU；

• 需要最大化可预测性；

• 对延迟要求不高的应用。

3.6 Serial Old 的实现逻辑（简要源码级别概览）

在 OpenJDK 中，Serial Old 的核心实现类如下：

• MarkSweepCompact：执行标记-清除-整理；

• CompactibleFreeListSpace：描述老年代的内存结构；

• GenMarkSweep：负责执行老年代的 Serial Old GC。

伪代码简化如下：

void do_full_gc() {mark();        // 标记存活对象sweep();       // 清除垃圾对象compact();     // 压缩堆，清除碎片
}

虽然整体逻辑简单，但在整理阶段涉及地址计算、指针修复，因此仍需谨慎优化。

第四章 Serial Old 与其他垃圾收集器的比较

在 Java 8 中，针对老年代的垃圾收集器主要有三种：Serial Old、Parallel Old 和 CMS。它们各自具备不同的设计目标和性能特性。本章将通过结构性对比，帮助开发者理解 Serial Old 与其他老年代垃圾收集器之间的差异，以便在特定场景下作出合适选择。

4.1 Serial Old vs Parallel Old

4.1.1 并发能力对比

4.1.2 说明

• Parallel Old 是 Parallel Scavenge 年轻代收集器的老年代搭档，适用于对吞吐量敏感的系统；

• Serial Old 则由于其单线程模型，不适合高并发环境，但在资源受限平台仍有优势；

• 两者都采用 Mark-Compact 算法，但 Parallel Old 使用多线程并行压缩以缩短 GC 时间。

4.2 Serial Old vs CMS（Concurrent Mark Sweep）

4.2.1 对比表

4.2.2 说明

• CMS（Concurrent Mark Sweep） 强调低停顿，但容易产生内存碎片；

• CMS 没有整理（compact）过程，当出现 Promotion Failed 或 Concurrent Mode Failure 时，JVM 会自动切换回 Serial Old 执行 Full GC；

• CMS 在 Java 9 后被废弃，G1 成为替代方案，但在 Java 8 中仍然是重要的低延迟回收器选择。

4.3 与 G1 的比较（补充）

尽管 G1 属于后代收集器，但了解 Serial Old 与 G1 的差异有助于明确过渡路径。

4.4 如何选择收集器？

第五章 配置 Serial Old

要在 Java 应用中使用 Serial Old 垃圾收集器，开发者需要通过 JVM 启动参数进行配置。本章将详解 Serial Old 的启用方式、相关 JVM 参数、常见组合方案，并提供适用于不同场景的配置示例。

5.1 如何启用 Serial Old 垃圾收集器

Serial Old 本身并不能独立工作，它通常与年轻代的 Serial 收集器共同配置。完整启用方式如下：

启用命令

java -XX:+UseSerialGC -Xms256m -Xmx256m -jar yourApp.jar

该命令中：

• -XX:+UseSerialGC：启用 Serial + Serial Old 收集器组合；

• -Xms 和 -Xmx 设置堆的初始与最大值（建议设置为相同，避免运行时动态扩容）。

一旦启用 Serial GC，老年代自动采用 Serial Old，不需额外指定。

5.2 核心配置参数说明

以下是与 Serial Old 配置密切相关的 JVM 参数：

示例：完整配置参数

java -Xms512m -Xmx512m \-XX:+UseSerialGC \-XX:NewRatio=2 \-XX:SurvivorRatio=8 \-XX:+PrintGCDetails \-XX:+PrintGCDateStamps \-Xloggc:./gc.log \-jar myApp.jar

5.3 常见使用场景下的配置建议

场景一：嵌入式或资源受限环境

java -Xms128m -Xmx128m -XX:+UseSerialGC -jar app.jar

• 适用于内存资源极小的系统（如 ARM 单板机）；

• 配置简单、稳定，避免多线程 GC 带来的调度开销。

场景二：教学/调试用途（查看 GC 行为）

java -Xms256m -Xmx256m \-XX:+UseSerialGC \-XX:+PrintGCDetails \-XX:+PrintGCDateStamps \-Xloggc:gc.log \-jar app-debug.jar

• 打印详细 GC 日志便于分析 GC 阶段和时间消耗；

• 常用于 GC 教程或性能测试。

场景三：CMS 回退配置（无需手动指定）

• 若应用使用 CMS（-XX:+UseConcMarkSweepGC），

• 当 CMS 发生 Concurrent Mode Failure，JVM 自动使用 Serial Old 做 Full GC；

• 可通过 PrintGCDetails 观察 GC 类型判断是否已回退。

5.4 配置建议总结

第六章 Serial Old 性能调优

虽然 Serial Old 垃圾收集器结构简单，但合理的参数调优依然可以帮助开发者减少 GC 频率、缩短停顿时间、提高回收效率。本章将从堆内存配置、晋升策略、GC 日志分析、对象生命周期控制等方面，系统讲解如何优化 Serial Old 的运行性能。

6.1 调优目标与原则

使用 Serial Old 时，调优目标主要聚焦在以下几点：

• 控制 Full GC 的频率和持续时间；

• 减少对象在老年代的驻留；

• 避免因堆空间不足引发频繁 GC 或 OOM；

• 使 GC 行为更加可预测。

调优时遵循以下原则：

• 预分配足够内存，减少动态扩容；

• 减少老年代晋升对象的比例；

• 通过日志掌握 GC 节奏和压力点。

6.2 堆内存参数调整

合理设置初始堆和最大堆，有助于降低 GC 次数和频繁的内存扩容带来的额外成本。

参数建议：

-Xms512m -Xmx512m    # 初始堆和最大堆设置为一致，防止动态调整
-XX:NewRatio=2       # 年轻代 : 老年代 = 1 : 2
-XX:SurvivorRatio=8  # Eden : Survivor = 8 : 1 : 1

配置解读：

• 年轻代大，意味着更多对象可以在年轻代被清除，减少晋升到老年代的频率；

• Survivor 空间适当调大，避免对象提前晋升。

6.3 控制对象晋升到老年代的节奏

在 Serial Old 的使用中，老年代 GC（即 Full GC）是系统停顿的主要来源之一，因此减少对象进入老年代尤为重要。

晋升机制相关参数：

示例：

-XX:MaxTenuringThreshold=10
-XX:+PrintTenuringDistribution

• 设置更高的晋升阈值，有助于让短生命周期对象在年轻代被回收；

• 通过日志分析，找出哪些对象在晋升前存活较久，从而识别内存热点。

6.4 使用 GC 日志分析 GC 过程

打印 GC 日志是进行调优的基础。通过观察 GC 频率、耗时、堆使用率等指标，可以判断是否需要扩容、调整参数或优化代码。

日志启用示例：

-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:gc_serial.log

关键指标解析：

• [Full GC] 出现频率：频繁出现说明老年代压力过大；

• Tenured: 使用比率：老年代使用接近上限时，GC 会变频繁；

• GC 耗时：关注 STW 停顿时间，通常在毫秒到秒级不等；

示例日志片段：

2025-07-13T14:22:01.789+0800: 10.123: [Full GC (System.gc())[Tenured: 10240K->512K(10240K), 0.1234567 secs] 20480K->1536K(20480K), [Perm: 2560K->2560K(21248K)], 0.1237890 secs]

• 可见老年代几乎被占满，引发一次 Full GC；

• GC 效果较好，但 STW 达到了 123ms。

6.5 分析 GC 热点对象

利用工具进一步分析老年代对象存活情况，有助于识别内存泄漏风险与“长命对象”。

可用工具：

• JVisualVM：图形界面观察堆中热点类与 GC 行为；

• MAT（Memory Analyzer Tool）：分析 heap dump，找出大对象与 GC roots 路径；

• JFR（Java Flight Recorder）：可跟踪对象生命周期和 GC 事件。

6.6 避免手动调用 System.gc()

默认情况下，调用 System.gc() 会触发一次 Full GC，使用 Serial Old 作为收集器时，会产生较长 STW 停顿，应避免在业务逻辑中显式调用。

关闭自动调用选项：

-XX:+DisableExplicitGC

• 禁用显式 Full GC 调用，有助于防止代码中不必要的 GC 停顿。

6.7 调优策略总结