JVM 垃圾回收器
以下是对主流 JVM 垃圾回收器的详细解析，涵盖
一、Serial GC（单线程串行回收器）
二、Parallel GC（吞吐量优先回收器）
三、CMS（Concurrent Mark Sweep，低延迟回收器）
四、G1（Garbage-First，区域分代回收器）
五、ZGC（超低延迟回收器）
六、Shenandoah（OpenJDK 低延迟回收器）
的核心机制、适用场景及横向对比，帮助理解不同垃圾回收器的设计哲学与性能特点。
一、Serial GC（单线程串行回收器）
核心机制
- 算法：
- 新生代：复制算法（Copying Algorithm），将存活对象从 Eden/Survivor 复制到另一块 Survivor。
- 老年代：标记 - 整理算法（Mark-Compact），标记存活对象后压缩内存空间。
- 执行特点：
- 单线程：GC 时需 Stop The World（STW），暂停所有应用线程，全程由一条 GC 线程完成。
- 简单高效：无线程切换开销，适合内存较小的环境。
关键参数
-XX:+UseSerialGC # 启用 Serial GC（默认用于 Client 模式）
-XX:SurvivorRatio=8 # Eden:Survivor 比例（默认 8:1）
适用场景
- 嵌入式设备或 单核心服务器（如小型桌面应用）。
- 内存 < 1GB 的场景，STW 时间可控。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 简单可靠，无额外内存开销 | 单线程导致 STW 时间较长 |
| 适合内存小的场景 | 无法利用多核 CPU 优势 |
二、Parallel GC（吞吐量优先回收器）
核心机制
- 算法：
- 新生代：多线程复制算法，并行执行垃圾回收。
- 老年代：多线程标记 - 整理算法（JDK 8 前为 Serial Old，JDK 9+ 为 Parallel Old）。
- 执行特点：
- 多线程并行：通过
-XX:ParallelGCThreads设置线程数，利用多核 CPU 缩短 STW 时间。 - 目标吞吐量：通过
-XX:GCTimeRatio控制 GC 时间占比（默认 99%，即 GC 时间 ≤ 1%）。
- 多线程并行：通过
关键参数
-XX:+UseParallelGC # 启用 Parallel GC（默认用于 Server 模式）
-XX:MaxGCPauseMillis=100 # 目标最大停顿时间（毫秒，动态调整堆大小）
-XX:GCTimeRatio=99 # 吞吐量目标（1/(1+N)，N=99 即吞吐量 99%）
适用场景
- 后台计算任务（如大数据处理、科学计算），优先保证吞吐量。
- 堆内存中等大小（如 4-8GB），允许较短 STW 但需高持续处理能力。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 多线程提升吞吐量 | 停顿时间仍随堆增大而增长 |
| 自动调优（自适应策略） | 无法满足低延迟需求 |
三、CMS（Concurrent Mark Sweep，低延迟回收器）
核心机制
- 算法：
- 标记 - 清除（Mark-Sweep）：老年代使用该算法，避免整理内存的 STW 开销。
- 分代设计：新生代用 Parallel Scavenge（多线程复制），老年代用 CMS 并发回收。
- 执行阶段（老年代）：
- 初始标记（STW）：标记根对象，耗时短。
- 并发标记：与应用线程并行标记可达对象。
- 重新标记（STW）：修正并发标记期间的变动，耗时短。
- 并发清除：与应用线程并行清除垃圾对象。
关键参数
-XX:+UseConcMarkSweepGC # 启用 CMS GC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 # 老年代占用 70% 时触发 GC
-XX:+CMSParallelRemarkEnabled # 启用并行重新标记（减少 STW 时间）
适用场景
- 交互式应用（如 Web 服务器、前端服务），需降低 STW 对用户体验的影响。
- 堆内存较大（如 8-16GB），但对象存活率较高（老年代占比大）。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 老年代并发回收，STW 时间短 | 标记 - 清除导致内存碎片 |
| 适合低延迟场景 | 并发阶段占用 CPU 资源 |
| 分代设计提升回收效率 | 可能触发 "Concurrent Mode Failure"（回收速度慢于分配速度） |
四、G1（Garbage-First，区域分代回收器）
核心机制
- 分区（Region）设计：
- 将堆划分为大小相等的 Region（如 2MB-32MB），每个 Region 可动态扮演 Eden、Survivor、Old 或 Humongous（大对象）。
- 优先回收价值高的区域：通过记录每个 Region 的垃圾占比，优先处理回收收益最大的区域（Garbage-First 得名）。
- 算法：
- 新生代：多线程复制算法，回收 Eden/Survivor 区域。
- 老年代：并发标记 + 混合回收（部分 Old Region + 新生代），基于标记 - 整理算法。
执行阶段
- 初始标记（STW）：标记根对象。
- 并发标记：与应用线程并行标记可达对象。
- 最终标记（STW）：处理 SATB 日志（Snapshot At The Beginning，记录并发阶段新增引用）。
- 筛选回收（STW）：计算各 Region 回收收益，选择部分 Old Region 与新生代混合回收。
关键参数
-XX:+UseG1GC # 启用 G1 GC
-XX:G1HeapRegionSize=4m # 设置 Region 大小（自动推算默认值）
-XX:MaxGCPauseMillis=200 # 目标最大停顿时间（默认 200ms）
-XX:G1MixedGCCountTarget=8 # 混合回收时最大 Region 数
适用场景
- 大内存（8GB+） 且 需要兼顾吞吐量与低延迟 的场景（如微服务、中间件）。
- 对象分配频率高（如新生代大对象多），或存在大量中等大小对象（避免进入 Humongous Region）。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 分区设计避免内存碎片 | 内存占用高（每个 Region 需元数据） |
| 可预测的停顿时间 | 并发标记阶段耗 CPU 资源 |
| 混合回收应对老年代回收 | 调优复杂度高于 CMS/Parallel |
五、ZGC（超低延迟回收器）
核心机制
- 着色指针（Colored Pointers）：
- 将对象引用的低 4 位用于存储 GC 状态（如标记位、重映射状态），无需修改对象头，减少内存访问开销。
- 读屏障（Load Barrier）：
- 在读取对象引用时动态修正指针（如对象被移动到新 Region，通过读屏障获取新地址）。
- 并发标记 - 整理：
- 全程几乎无 STW（仅初始标记和再标记有极短停顿，通常 <1ms），支持 TB 级堆内存。
执行阶段
- 初始标记（STW）：标记根对象，耗时极短。
- 并发标记：与应用线程并行标记可达对象。
- 再标记（STW）：处理并发标记期间的引用变动，耗时极短。
- 并发转移：移动存活对象到新 Region，通过读屏障修正所有引用。
关键参数
-XX:+UseZGC # 启用 ZGC（JDK 11+）
-XX:ZHeapMaxSize=8t # 最大堆内存（支持 TB 级）
-XX:ZCollectionInterval=1000 # 强制 GC 间隔（毫秒，避免碎片累积）
适用场景
- 超大堆内存（16GB-8TB）且 对延迟敏感 的场景（如金融交易、实时数据处理）。
- 云原生环境（如 Kubernetes 弹性扩缩容），需快速启动和低停顿。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 停顿时间 <10ms，几乎无感知 | 吞吐量略低于 G1（约 95%） |
| 支持动态堆大小调整 | 仅 JDK 11+ 可用，需谨慎适配 |
| 分代设计（JDK 15+）提升年轻代回收效率 |
六、Shenandoah（OpenJDK 低延迟回收器）
核心机制
- 转发指针（Forwarding Pointer）：
- 在对象头中添加指针，指向对象的新地址（移动后通过该指针修正引用）。
- 布鲁姆过滤器（Bloom Filter）：
- 快速判断对象是否已被移动，减少无效的指针扫描，提升并发性能。
- 并发标记 - 复制：
- 与 ZGC 类似，全程并发执行，仅初始标记和最终标记有短暂 STW。
执行阶段
- 初始标记（STW）：标记根对象。
- 并发标记：与应用线程并行标记可达对象。
- 最终标记（STW）：处理漏标的对象，耗时短。
- 并发回收：移动存活对象到新 Region，通过转发指针更新引用。
关键参数
-XX:+UseShenandoahGC # 启用 Shenandoah（OpenJDK 12+）
-XX:ShenandoahGCMode=主动/被动 # 触发模式（主动模式基于内存阈值，被动响应分配压力）
-XX:MaxGCPauseMillis=10 # 目标停顿时间（默认 10ms）
适用场景
- 大内存（8GB-2TB）且 需要 OpenJDK 原生支持 的场景（如开源项目、非商业环境）。
- 对吞吐量要求中等，但需严格控制延迟的应用（如消息中间件、实时分析系统）。
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 停顿时间与 ZGC 相当 | 吞吐量低于 G1（约 90%） |
| 内存占用低（转发指针仅占对象头） | 商业 JDK 需授权（OpenJDK 免费） |
| 社区活跃，适配性强 | 调优参数较多，需深入理解机制 |
七、横向对比表格
| 维度 | Serial GC | Parallel GC | CMS | G1 | ZGC | Shenandoah |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 设计目标 | 简单单线程 | 高吞吐量 | 低延迟（老年代） | 平衡吞吐量与延迟 | 超低延迟（TB 级） | 超低延迟（OpenJDK） |
| 堆大小推荐 | 小（<1GB） | 中等（4-8GB） | 中大（8-16GB） | 大（8GB+） | 超大（16GB+） | 大（8GB-2TB） |
| STW 时间 | 长 | 中等 | 短（老年代并发） | 可控（<500ms） | 极短（<10ms） | 极短（<10ms） |
| 算法核心 | 复制 + 标记整理 | 并行复制 + 整理 | 并发标记 - 清除 | 分区 + 混合回收 | 着色指针 + 并发整理 | 转发指针 + 并发复制 |
| 适用场景 | 嵌入式 / 单核心 | 后台计算 | Web 服务 | 微服务 / 中间件 | 金融 / 实时数据 | 开源 / OpenJDK 环境 |
| JDK 版本 | 全版本 | 全版本 | JDK 1.4+ | JDK 7+ | JDK 11+ | OpenJDK 12+ |
| 典型参数 | -XX:+UseSerialGC | -XX:+UseParallelGC | -XX:+UseConcMarkSweepGC | -XX:+UseG1GC | -XX:+UseZGC | -XX:+UseShenandoahGC |
八、选择建议
- 小内存 / 简单场景：
- 优先选 Serial GC（单核心）或 Parallel GC（多核、需吞吐量）。
- 中等内存 / 低延迟需求：
- 选 CMS（老年代对象多）或 G1（对象分配频繁、需分代回收）。
- 大内存 / 超低延迟：
- 商业场景选 ZGC（JDK 11+，Oracle/OpenJDK）；
- 开源场景选 Shenandoah（OpenJDK 12+，避免授权问题）。
- 云原生 / 弹性扩缩容：
- 优先 ZGC（支持动态堆调整和超大内存）。
九、发展趋势
- ZGC/Shenandoah 主导未来：逐步替代 G1 成为大内存场景的默认选择。
- 分代与并发结合：如 ZGC 支持分代（JDK 15+），提升年轻代回收效率。
- 硬件协同优化：利用 CPU 特性（如 AMD 的 MMU 分页）加速 GC 指针操作。
通过理解不同垃圾回收器的设计 trade-off，可根据具体业务需求（吞吐量、延迟、内存大小）选择最优方案，或通过组合参数（如 G1 的 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent）进一步调优。