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%）。

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）：
  1. 初始标记（STW）：标记根对象，耗时短。
  2. 并发标记：与应用线程并行标记可达对象。
  3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间的变动，耗时短。
  4. 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

1. 初始标记（STW）：标记根对象。
2. 并发标记：与应用线程并行标记可达对象。
3. 最终标记（STW）：处理 SATB 日志（Snapshot At The Beginning，记录并发阶段新增引用）。
4. 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

1. 初始标记（STW）：标记根对象，耗时极短。
2. 并发标记：与应用线程并行标记可达对象。
3. 再标记（STW）：处理并发标记期间的引用变动，耗时极短。
4. 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

1. 初始标记（STW）：标记根对象。
2. 并发标记：与应用线程并行标记可达对象。
3. 最终标记（STW）：处理漏标的对象，耗时短。
4. 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

1. 小内存 / 简单场景：
   • 优先选 Serial GC（单核心）或 Parallel GC（多核、需吞吐量）。
2. 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）。
3. 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）。
4. 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。