JVM 垃圾回收器

以下是對主流 JVM 垃圾回收器的詳細解析，涵蓋?

一、Serial GC（單線程串行回收器）

二、Parallel GC（吞吐量優先回收器）

三、CMS（Concurrent Mark Sweep，低延遲回收器）

四、G1（Garbage-First，區域分代回收器）

五、ZGC（超低延遲回收器）

六、Shenandoah（OpenJDK 低延遲回收器）

?的核心機制、適用場景及橫向對比，幫助理解不同垃圾回收器的設計哲學與性能特點。

一、Serial GC（單線程串行回收器）

核心機制

算法：
- 新生代：復制算法（Copying Algorithm），將存活對象從 Eden/Survivor 復制到另一塊 Survivor。
- 老年代：標記 - 整理算法（Mark-Compact），標記存活對象后壓縮內存空間。
執行特點：
- 單線程：GC 時需?Stop The World（STW），暫停所有應用線程，全程由一條 GC 線程完成。
- 簡單高效：無線程切換開銷，適合內存較小的環境。

關鍵參數

-XX:+UseSerialGC        # 啟用 Serial GC（默認用于 Client 模式）
-XX:SurvivorRatio=8     # Eden:Survivor 比例（默認 8:1）

適用場景

嵌入式設備或?單核心服務器（如小型桌面應用）。
內存 < 1GB?的場景，STW 時間可控。

優缺點

優點	缺點
簡單可靠，無額外內存開銷	單線程導致 STW 時間較長
適合內存小的場景	無法利用多核 CPU 優勢

二、Parallel GC（吞吐量優先回收器）

核心機制

算法：
- 新生代：多線程復制算法，并行執行垃圾回收。
- 老年代：多線程標記 - 整理算法（JDK 8 前為 Serial Old，JDK 9+ 為 Parallel Old）。
執行特點：
- 多線程并行：通過?-XX:ParallelGCThreads?設置線程數，利用多核 CPU 縮短 STW 時間。
- 目標吞吐量：通過?-XX:GCTimeRatio?控制 GC 時間占比（默認 99%，即 GC 時間 ≤ 1%）。

關鍵參數

-XX:+UseParallelGC      # 啟用 Parallel GC（默認用于 Server 模式）
-XX:MaxGCPauseMillis=100 # 目標最大停頓時間（毫秒，動態調整堆大小）
-XX:GCTimeRatio=99      # 吞吐量目標（1/(1+N)，N=99 即吞吐量 99%）

適用場景

后臺計算任務（如大數據處理、科學計算），優先保證吞吐量。
堆內存中等大小（如 4-8GB），允許較短 STW 但需高持續處理能力。

優缺點

優點	缺點
多線程提升吞吐量	停頓時間仍隨堆增大而增長
自動調優（自適應策略）	無法滿足低延遲需求

三、CMS（Concurrent Mark Sweep，低延遲回收器）

核心機制

算法：
- 標記 - 清除（Mark-Sweep）：老年代使用該算法，避免整理內存的 STW 開銷。
- 分代設計：新生代用 Parallel Scavenge（多線程復制），老年代用 CMS 并發回收。
執行階段（老年代）：
1. 初始標記（STW）：標記根對象，耗時短。
2. 并發標記：與應用線程并行標記可達對象。
3. 重新標記（STW）：修正并發標記期間的變動，耗時短。
4. 并發清除：與應用線程并行清除垃圾對象。

關鍵參數

-XX:+UseConcMarkSweepGC  # 啟用 CMS GC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 # 老年代占用 70% 時觸發 GC
-XX:+CMSParallelRemarkEnabled # 啟用并行重新標記（減少 STW 時間）

適用場景

交互式應用（如 Web 服務器、前端服務），需降低 STW 對用戶體驗的影響。
堆內存較大（如 8-16GB），但對象存活率較高（老年代占比大）。

優缺點

優點	缺點
老年代并發回收，STW 時間短	標記 - 清除導致內存碎片
適合低延遲場景	并發階段占用 CPU 資源
分代設計提升回收效率	可能觸發 "Concurrent Mode Failure"（回收速度慢于分配速度）

四、G1（Garbage-First，區域分代回收器）

核心機制

分區（Region）設計：
- 將堆劃分為大小相等的 Region（如 2MB-32MB），每個 Region 可動態扮演 Eden、Survivor、Old 或 Humongous（大對象）。
- 優先回收價值高的區域：通過記錄每個 Region 的垃圾占比，優先處理回收收益最大的區域（Garbage-First 得名）。
算法：
- 新生代：多線程復制算法，回收 Eden/Survivor 區域。
- 老年代：并發標記 + 混合回收（部分 Old Region + 新生代），基于標記 - 整理算法。

執行階段

初始標記（STW）：標記根對象。
并發標記：與應用線程并行標記可達對象。
最終標記（STW）：處理 SATB 日志（Snapshot At The Beginning，記錄并發階段新增引用）。
篩選回收（STW）：計算各 Region 回收收益，選擇部分 Old Region 與新生代混合回收。

關鍵參數

-XX:+UseG1GC            # 啟用 G1 GC
-XX:G1HeapRegionSize=4m # 設置 Region 大小（自動推算默認值）
-XX:MaxGCPauseMillis=200 # 目標最大停頓時間（默認 200ms）
-XX:G1MixedGCCountTarget=8 # 混合回收時最大 Region 數

適用場景

大內存（8GB+）?且?需要兼顧吞吐量與低延遲?的場景（如微服務、中間件）。
對象分配頻率高（如新生代大對象多），或存在大量中等大小對象（避免進入 Humongous Region）。

優缺點

優點	缺點
分區設計避免內存碎片	內存占用高（每個 Region 需元數據）
可預測的停頓時間	并發標記階段耗 CPU 資源
混合回收應對老年代回收	調優復雜度高于 CMS/Parallel

五、ZGC（超低延遲回收器）

核心機制

著色指針（Colored Pointers）：
- 將對象引用的低 4 位用于存儲 GC 狀態（如標記位、重映射狀態），無需修改對象頭，減少內存訪問開銷。
讀屏障（Load Barrier）：
- 在讀取對象引用時動態修正指針（如對象被移動到新 Region，通過讀屏障獲取新地址）。
并發標記 - 整理：
- 全程幾乎無 STW（僅初始標記和再標記有極短停頓，通常 <1ms），支持 TB 級堆內存。

執行階段

初始標記（STW）：標記根對象，耗時極短。
并發標記：與應用線程并行標記可達對象。
再標記（STW）：處理并發標記期間的引用變動，耗時極短。
并發轉移：移動存活對象到新 Region，通過讀屏障修正所有引用。

關鍵參數

-XX:+UseZGC              # 啟用 ZGC（JDK 11+）
-XX:ZHeapMaxSize=8t      # 最大堆內存（支持 TB 級）
-XX:ZCollectionInterval=1000 # 強制 GC 間隔（毫秒，避免碎片累積）

適用場景

超大堆內存（16GB-8TB）且?對延遲敏感?的場景（如金融交易、實時數據處理）。
云原生環境（如 Kubernetes 彈性擴縮容），需快速啟動和低停頓。

優缺點

優點	缺點
停頓時間 <10ms，幾乎無感知	吞吐量略低于 G1（約 95%）
支持動態堆大小調整	僅 JDK 11+ 可用，需謹慎適配
分代設計（JDK 15+）提升年輕代回收效率

六、Shenandoah（OpenJDK 低延遲回收器）

核心機制

轉發指針（Forwarding Pointer）：
- 在對象頭中添加指針，指向對象的新地址（移動后通過該指針修正引用）。
布魯姆過濾器（Bloom Filter）：
- 快速判斷對象是否已被移動，減少無效的指針掃描，提升并發性能。
并發標記 - 復制：
- 與 ZGC 類似，全程并發執行，僅初始標記和最終標記有短暫 STW。

執行階段

初始標記（STW）：標記根對象。
并發標記：與應用線程并行標記可達對象。
最終標記（STW）：處理漏標的對象，耗時短。
并發回收：移動存活對象到新 Region，通過轉發指針更新引用。

關鍵參數

-XX:+UseShenandoahGC     # 啟用 Shenandoah（OpenJDK 12+）
-XX:ShenandoahGCMode=主動/被動 # 觸發模式（主動模式基于內存閾值，被動響應分配壓力）
-XX:MaxGCPauseMillis=10  # 目標停頓時間（默認 10ms）

適用場景

大內存（8GB-2TB）且?需要 OpenJDK 原生支持?的場景（如開源項目、非商業環境）。
對吞吐量要求中等，但需嚴格控制延遲的應用（如消息中間件、實時分析系統）。

優缺點

優點	缺點
停頓時間與 ZGC 相當	吞吐量低于 G1（約 90%）
內存占用低（轉發指針僅占對象頭）	商業 JDK 需授權（OpenJDK 免費）
社區活躍，適配性強	調優參數較多，需深入理解機制

七、橫向對比表格

維度	Serial GC	Parallel GC	CMS	G1	ZGC	Shenandoah
設計目標	簡單單線程	高吞吐量	低延遲（老年代）	平衡吞吐量與延遲	超低延遲（TB 級）	超低延遲（OpenJDK）
堆大小推薦	小（<1GB）	中等（4-8GB）	中大（8-16GB）	大（8GB+）	超大（16GB+）	大（8GB-2TB）
STW 時間	長	中等	短（老年代并發）	可控（<500ms）	極短（<10ms）	極短（<10ms）
算法核心	復制 + 標記整理	并行復制 + 整理	并發標記 - 清除	分區 + 混合回收	著色指針 + 并發整理	轉發指針 + 并發復制
適用場景	嵌入式 / 單核心	后臺計算	Web 服務	微服務 / 中間件	金融 / 實時數據	開源 / OpenJDK 環境
JDK 版本	全版本	全版本	JDK 1.4+	JDK 7+	JDK 11+	OpenJDK 12+
典型參數	`-XX:+UseSerialGC`	`-XX:+UseParallelGC`	`-XX:+UseConcMarkSweepGC`	`-XX:+UseG1GC`	`-XX:+UseZGC`	`-XX:+UseShenandoahGC`

八、選擇建議

小內存 / 簡單場景：
- 優先選?Serial GC（單核心）或?Parallel GC（多核、需吞吐量）。
中等內存 / 低延遲需求：
- 選?CMS（老年代對象多）或?G1（對象分配頻繁、需分代回收）。
大內存 / 超低延遲：
- 商業場景選?ZGC（JDK 11+，Oracle/OpenJDK）；
- 開源場景選?Shenandoah（OpenJDK 12+，避免授權問題）。
云原生 / 彈性擴縮容：
- 優先?ZGC（支持動態堆調整和超大內存）。