STW（Stop-The-World）机制是指在 JVM 执行垃圾回收（GC）时，所有的应用线程都被暂停，直到垃圾回收完成为止。换句话说，STW 是垃圾回收期间的“暂停世界”阶段，在此期间，所有的应用线程（即用户的代码执行线程）会被停止，只有 GC 线程（负责回收垃圾的线程）会继续执行。这个机制是 JVM 垃圾回收过程的核心部分，对应用的响应性和性能有重要影响。

STW 发生的场景

• GC 开始时：每次进行 GC 时，JVM 会暂停所有应用线程，以保证在回收过程中，JVM 可以安全地进行对象的标记和清理操作。因为垃圾回收需要遍历对象图，检查哪些对象不再被引用，因此不能在并发状态下进行，以避免出现对象状态不一致。
• GC 结束时：一旦垃圾回收完成，JVM 会恢复应用线程的执行，继续运行应用程序。

STW 机制的具体过程

JVM 垃圾回收的具体过程可以分为几个阶段，其中 STW 的暂停通常发生在以下阶段：

1. 初始标记阶段：
   • 在标记阶段，JVM 会标记所有可达对象，防止在此期间对对象进行修改。
   • STW 会暂停应用线程，直到初始标记完成。
2. 并发标记阶段：
   • 在一些垃圾回收器（如 CMS 和 G1）中，标记阶段会分为初始标记和并发标记。初始标记阶段是 STW 阶段，暂停所有应用线程，而并发标记阶段则是并行执行的，不会暂停应用线程。
3. 重标记阶段：
   • 在标记过程中，如果有对象的引用发生变化，可能需要重新标记这些对象。重标记阶段通常是 STW 阶段。
4. 清理阶段：
   • 清理阶段会回收未被标记的对象，并且可能进行内存压缩、整理等操作。这个阶段有时也是 STW 阶段，尤其是在使用标记-清除或标记-整理算法的情况下。

STW 的影响

• 性能影响：STW 直接影响垃圾回收的停顿时间。当 STW 时间过长时，会导致应用的响应时间变长，从而影响用户体验，特别是在响应时间要求高的场景（如 web 应用）。
• 延迟：由于 GC 期间会暂停应用线程，GC 的停顿时间（即 STW 时间）可能对性能产生较大影响。特别是在老年代的垃圾回收过程中，STW 时间通常较长。

STW 相关的调优

• GC 选项调优：JVM 提供了一些参数来控制和优化 STW 时间：
  • -XX:+UseG1GC：使用 G1 垃圾收集器，它支持设定最大停顿时间（通过 -XX:MaxGCPauseMillis 参数），并努力控制 STW 时间。
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用 CMS 收集器，虽然它并行标记阶段能减轻 STW 的负担，但依然会在重标记和清理阶段产生较长的 STW。
  • -XX:MaxGCPauseMillis：指定最大 GC 停顿时间，JVM 会尽力保证 GC 停顿时间不超过这个值。
• 堆内存大小调整： 增大堆的大小可以减少 GC 发生的频率，从而降低 STW 发生的次数。然而，增大堆的大小也可能导致每次 GC 需要更长的时间。因此，找到一个合适的堆大小是关键。
• GC 日志分析： 启用 GC 日志（如 -Xloggc）可以帮助分析 STW 时间，判断 GC 阶段的具体时长。例如，通过 -XX:+PrintGCDetails，可以记录每次 GC 的详细信息和停顿时间。

减少 STW 的策略

一些现代的垃圾回收器（如 G1 和 ZGC）采用并行、并发和增量回收策略，尽可能减少 STW 时间。例如：

• G1 GC：通过将堆划分为多个区域，并对每个区域进行单独的回收，G1 GC 能够将 STW 时间控制在可接受的范围内。
• ZGC 和 Shenandoah GC：这些收集器专为低延迟应用设计，能够在极短的时间内完成 GC，最大限度地减少 STW。

总结

STW 机制是 JVM 垃圾回收过程中不可避免的一个部分，尤其是在使用标记-清除或标记-整理算法时。虽然 GC 会暂停应用线程，但随着垃圾回收器的不断发展，如 G1、ZGC 和 Shenandoah 等新型收集器通过并发回收、增量回收等方式减少了 STW 的影响，因此能够更好地支持对低延迟和高响应性要求的应用。在实际应用中，通过合理配置 JVM 参数并选择适合的垃圾收集器，可以有效降低 STW 对应用性能的影响。