JVM中常見的GC垃圾收集器

文章目錄

1. Serial GC（串行收集器）

2. Parallel GC（并行收集器）

3. CMS（Concurrent Mark-Sweep，并發標記 - 清除）

4. G1（Garbage-First，垃圾優先）

5. ZGC（Z Garbage Collector）

6. Shenandoah（ shen-uh-doh-uh ）

特性對比表：

總結：

前言

在 JVM 中，垃圾收集器（GC）的設計目標差異顯著，主要體現在吞吐量、延遲、內存支持規模、線程模型等核心特性上。以下是 JVM 中常見 GC 收集器的詳細特性對比：

1. Serial GC（串行收集器）

核心目標：單線程環境下的簡單高效，專注于低內存占用和實現簡潔性。

分代策略：嚴格分代（新生代 + 老年代）：

新生代：采用復制算法（將內存分為 Eden 區和兩個 Survivor 區，存活對象復制到 Survivor）。
老年代：采用標記 - 整理算法（標記存活對象后，將其壓縮到內存一端，避免碎片）。

線程模型：單線程執行 GC：GC 過程中只有一個線程工作，且會暫停所有應用線程（STW，Stop-The-World）。

STW 情況：STW 時間較長（隨堆大小增加而增加），因為單線程處理所有回收工作。

內存管理：堆內存規模較小（通常 < 1GB），不適合大內存場景。

優點

實現簡單，代碼量少，內存占用極低（幾乎無額外 GC 線程開銷）。
無多線程同步成本，在單 CPU 環境下效率較高。

缺點

STW 時間長，無法利用多核 CPU 優勢。
不適合大型應用或高并發場景。

適用場景

嵌入式設備、小型命令行工具（如簡單腳本）。
單 CPU 環境或內存受限的場景（如物聯網設備）。

所有 JDK 版本均支持，JDK 9 后默認不啟用，需通過-XX:+UseSerialGC開啟。

2. Parallel GC（并行收集器）

核心目標：最大化吞吐量（單位時間內應用程序運行時間占比），適合計算密集型場景。

分代策略：嚴格分代（新生代 + 老年代）：

新生代：并行復制算法（多線程同時復制存活對象）。
老年代：并行標記 - 整理算法（多線程同時標記和壓縮）。

線程模型：多線程并行執行 GC：GC 線程數默認與 CPU 核心數相關（可通過-XX:ParallelGCThreads配置），GC 時仍會 STW，但效率高于 Serial GC。

STW 情況：STW 時間比 Serial GC 短（多線程并行加速），但仍隨堆大小增加而顯著增長。

內存管理：支持中等堆內存（通常 1GB~10GB），堆過大會導致 STW 時間過長。

優點

吞吐量高（GC 耗時占比低），充分利用多核 CPU。
適合對吞吐量敏感、可接受一定 STW 延遲的場景。

缺點

無法控制 STW 時間（隨堆增大而變長），不適合延遲敏感型應用。

適用場景

科學計算、大數據分析（如 Hadoop 離線任務）。
后臺批處理任務（對響應時間要求低，注重計算效率）。

JDK 支持

JDK 1.4.2 引入，JDK 5~8 默認 GC（Server 模式），需通過-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseParallelOldGC開啟。

3. CMS（Concurrent Mark-Sweep，并發標記 - 清除）

核心目標：最小化STW 延遲，適合對響應時間敏感的應用（如 Web 服務）。

分代策略：嚴格分代（新生代 + 老年代）：

新生代：采用Parallel Scavenge（并行復制，與 Parallel GC 一致）。
老年代：采用并發標記 - 清除算法（不壓縮內存，避免整理耗時）。

并發與并行結合：

初始標記、重新標記：STW（單線程 / 多線程快速執行）。
并發標記、并發清除：與應用線程同時運行（多線程 GC）。

工作流程：

初始標記：STW，標記 GC Roots 直接引用的對象（耗時極短）。
并發標記：與應用線程并行，遍歷標記所有可達對象（耗時最長，無 STW）。
重新標記：STW，修正并發標記期間因應用線程修改引用導致的標記偏差（耗時短）。
并發清除：與應用線程并行，清除未標記的垃圾對象（無 STW）。

STW 時間極短（僅初始標記和重新標記階段，通常 < 10ms），但并發階段會占用 CPU 資源。

內存管理

老年代不壓縮，會產生內存碎片（長期運行可能導致大對象無法分配內存，觸發 Full GC）。
堆內存不宜過大（通常 < 32GB，否則并發標記階段耗時過長）。

優點：

低延遲，適合 Web 服務、實時響應系統。
STW 時間短，對用戶體驗影響小。

缺點：

并發階段占用 CPU 資源，降低應用吞吐量（約 10%~20%）。
內存碎片嚴重，需定期通過-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection強制壓縮。
對大內存支持差，且實現復雜（易出現內存泄漏風險）。

適用場景

互聯網 Web 應用（如電商網站、API 服務）。
對響應時間敏感（如延遲要求 < 100ms）的在線服務。
JDK 5 引入，JDK 9 標記為廢棄，JDK 14 正式移除，需通過-XX:+UseConcMarkSweepGC開啟（僅老年代使用 CMS）。

4. G1（Garbage-First，垃圾優先）

核心目標：平衡吞吐量與延遲，支持可預測的 STW 時間，適合中大型堆內存場景。

區域化分代（邏輯分代，物理不分隔）：

堆內存劃分為 2048 個大小相等的獨立區域（Region，1MB~32MB，可配置）。
每個 Region 動態扮演 Eden、Survivor 或老年代角色（根據對象存活時間）。

回收算法：

新生代：復制算法（多線程并行復制存活對象到新 Region）。
老年代：混合回收（優先回收垃圾占比高的 Region，結合標記 - 復制避免碎片）。

并行 + 并發結合：

年輕代回收：多線程并行 STW（類似 Parallel GC）。
混合回收（含老年代）：初始標記（STW）→ 并發標記（與應用線程并行）→ 最終標記（STW）→ 篩選回收（多線程并行 STW，選擇垃圾多的 Region 回收）。

STW 情況：通過-XX:MaxGCPauseMillis（默認 200ms）設置目標 STW 時間，G1 會動態調整回收 Region 數量以滿足目標，實際 STW 時間通常可控制在 100ms 內。

內存管理

支持中等至大型堆內存（1GB~ 數百 GB），Region 機制使回收更靈活。
通過復制算法減少內存碎片（回收時將存活對象復制到新 Region）。

優點：

兼顧吞吐量和延遲，適用場景廣泛。
可預測 STW 時間，適合企業級應用。
內存碎片少，支持動態調整新生代 / 老年代比例。

缺點：

小堆內存場景下效率不如 Serial/Parallel GC（Region 管理有額外開銷）。
并發標記階段仍會占用部分 CPU 資源。

適用場景

企業級服務（如 ERP 系統、電商中臺）。
堆內存 10GB~100GB 的中大型應用（需平衡吞吐量和延遲）。

JDK 支持

JDK 7 引入，JDK 9 起成為默認 GC，需通過-XX:+UseG1GC開啟（默認啟用）。

5. ZGC（Z Garbage Collector）

核心目標：超低延遲（<10ms）+?超大堆內存支持（TB 級），適合內存密集型、低延遲要求的大型系統。

不分代（所有對象統一管理），但可通過-XX:ZGenerational啟用分代模式（JDK 21+）。

回收算法：基于區域化內存（Region 大小動態調整：小 Region 2MB，中 Region 32MB，大 Region 大對象獨占），采用三色標記法 + 讀屏障：

標記階段：并發遍歷對象引用（無 STW）。
重定位階段：并發移動存活對象（通過讀屏障保證對象訪問正確性）。

全并發 + 并行：幾乎所有階段（標記、重定位）與應用線程并發執行，僅初始標記和最終標記有極短 STW（通常 < 1ms）。

STW 情況：STW 時間極短（<10ms，且與堆大小無關），主要來自初始標記和最終標記（各約 1ms）。

內存管理

支持超大堆內存（從 MB 級到 TB 級，如 16TB 堆內存仍能保持低延遲）。
無內存碎片（重定位階段自動壓縮對象）。

優點

延遲極低，適合對響應時間敏感的大型系統。
堆內存支持規模大，無需擔心內存碎片。
吞吐量損失小（并發階段 CPU 占用低）。

缺點

小堆內存場景下，額外開銷（如讀屏障）可能高于 G1。
分代模式（JDK 21+）仍在優化中，成熟度略低于 G1。

適用場景

大型分布式系統（如分布式數據庫、緩存服務）。
內存密集型應用（如大數據實時分析、AI 訓練平臺）。

JDK 支持

JDK 11 作為實驗特性引入，JDK 15 成為正式特性，需通過-XX:+UseZGC開啟。

6. Shenandoah（ shen-uh-doh-uh ）

核心目標：低延遲（<10ms）+?并發整理，與堆大小無關的 STW 時間，適合金融、交易等強實時場景。

不分代（JDK 17 + 支持分代模式），堆內存劃分為 Region（類似 G1）。

回收算法：

并發標記 - 并發整理：通過 “轉發指針”（每個對象額外存儲一個指向新地址的指針）和 “寫屏障” 實現并發移動對象，無需 STW 整理。

線程模型：全并發：標記、整理階段均與應用線程并發執行，僅初始標記和最終標記有極短 STW（<1ms）。

STW 情況：STW 時間僅與存活對象數量相關（與堆大小無關），通常 < 10ms，適合超大堆。

內存管理

支持 TB 級堆內存，無內存碎片（并發整理階段自動壓縮）。
對大對象友好（單獨 Region 存儲，避免頻繁移動）。

優點

延遲穩定（不受堆大小影響），適合金融交易等強實時場景。
并發整理無碎片，內存利用率高。

缺點

實現復雜，依賴 JVM 源碼修改（早期僅 Red Hat OpenJDK 支持）。
額外內存開銷（轉發指針占對象大小的 12.5%）。

適用場景

金融交易系統（如高頻交易、支付網關）。
超大內存服務（如 PB 級數據處理節點）。

JDK 支持

JDK 12 作為實驗特性引入，JDK 17 成為正式特性，需通過-XX:+UseShenandoahGC開啟。

特性對比表：

收集器	核心目標	分代策略	回收算法	線程模型	STW 時間	堆內存支持	適用場景
Serial GC	低內存占用	嚴格分代	復制（新）+ 標記 - 整理（老）	單線程 STW	長（隨堆增大）	<1GB	嵌入式、小型工具
Parallel GC	高吞吐量	嚴格分代	并行復制 + 并行標記 - 整理	多線程并行 STW	中（比 Serial 短）	1GB~10GB	科學計算、批處理任務
CMS	低延遲	嚴格分代	并發標記 - 清除（老）	并發 + 并行（部分 STW）	短（<10ms）	<32GB	傳統 Web 服務（已淘汰）
G1	平衡吞吐與延遲	區域化分代	復制 + 混合回收	并行 + 并發	可預測（<100ms）	1GB~ 數百 GB	企業級服務、中大型應用
ZGC	超低延遲 + 大內存	可選分代	并發標記 + 重定位	全并發 + 并行	極短（<10ms）	MB~TB 級	大型分布式系統、內存密集型
Shenandoah	低延遲 + 并發整理	可選分代	并發標記 + 并發整理	全并發	極短（<10ms）	MB~TB 級	金融交易、強實時超大內存應用