一、引言
在Java应用运行过程中，垃圾回收（Garbage Collection, GC）是内存管理的核心机制，直接影响程序性能。JVM提供了多种垃圾回收器，适用于不同场景。本文将系统梳理主流垃圾回收器的工作原理、适用场景及选型策略。
二、GC核心概念
- 分代收集：堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），采用不同回收策略。
- STW（Stop-The-World） ：GC执行时暂停所有应用线程，时间长短直接影响响应速度。
- 吞吐量（Throughput） ：单位时间内应用代码执行时间占比。
- 延迟（Latency） ：单次GC导致的应用停顿时间。
三、垃圾回收器分类
| 分类维度 | 类型 | 代表回收器 |
|---|---|---|
| 工作线程数 | 单线程/多线程 | Serial vs Parallel |
| 工作模式 | 并发/并行 | CMS vs G1 |
| 内存碎片处理 | 压缩/非压缩 | Serial（压缩） vs CMS（非压缩） |
四、主流垃圾回收器详解
1. Serial 回收器
-
特点：单线程、简单高效，适合客户端应用。
-
工作流程：
新生代（复制算法） → 老年代（标记-整理算法） -
适用场景：内存小（百MB级）、无低延迟要求的场景。
2. Parallel Scavenge（吞吐量优先）
- 特点：多线程并行回收，关注吞吐量。
- 参数示例 ：
-XX:MaxGCPauseMillis=100（目标最大停顿时间）
-XX:GCTimeRatio=99（GC时间占比不超过1%） - 适用场景：后台计算、批处理任务。
3. CMS（Concurrent Mark-Sweep）
-
四阶段流程：
- 初始标记（STW）
- 并发标记
- 重新标记（STW）
- 并发清除
-
缺点：内存碎片、CPU敏感。
-
适用场景：Web服务等要求低延迟的系统（JDK 8及之前）。
4. G1（Garbage-First）
-
核心机制：
- 堆划分为多个Region（1MB~32MB）
- 优先回收垃圾最多的区域（Garbage-First）
-
Mixed GC模式：同时回收新生代和部分老年代。
-
优势 ：可预测停顿（
-XX:MaxGCPauseMillis）。 -
适用场景：JDK 9+默认回收器，适合6GB以上内存。
5. ZGC（低延迟之王）
-
关键技术：
- 染色指针（Colored Pointers）
- 并发压缩（<1ms STW）
-
内存支持：TB级堆内存，JDK 15后正式支持。
-
适用场景：超低延迟（如金融交易系统）。
6. Shenandoah
- 特点：与ZGC类似，但通过Brooks指针实现并发压缩。
- 优势：JDK 12+支持，Red Hat贡献。
- 适用场景：需要低延迟且使用OpenJDK的中间件。
五、对比与选型指南
| 回收器 | 线程模式 | 压缩策略 | 最大堆内存 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| Serial | 单线程 | 压缩 | 数百MB | 客户端/嵌入式 |
| Parallel | 多线程 | 压缩 | 数GB | 吞吐量优先任务 |
| CMS | 并发 | 非压缩 | 4-8GB | JDK8 Web服务 |
| G1 | 并发 | 局部压缩 | 数十GB | JDK9+默认，平衡场景 |
| ZGC | 并发 | 压缩 | 4TB+ | 亚毫秒延迟，JDK15+ |
选型建议：
- 优先JDK版本：JDK11+首选G1，JDK17+优先考虑ZGC。
- 吞吐量场景：Parallel Scavenge/Old。
- 低延迟要求：ZGC（STW<1ms）或 Shenandoah。
- 超大堆内存：ZGC/Shenandoah支持TB级堆。
六、参数调优示例
bash
# 启用G1回收器
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
# 启用ZGC（JDK15+）
-XX:+UseZGC
-XX:+ZUncommitDelay=300 # 自动返还内存给OS七、总结
理解不同GC的工作原理是性能优化的基石。随着JDK版本迭代，ZGC/Shenandoah等新回收器正在重新定义Java的内存管理极限。建议开发者根据应用特点（堆大小、延迟要求、JDK版本）选择最优方案，并持续关注GC技术的演进。
延伸阅读：
- Oracle官方GC调优指南
- 《深入理解Java虚拟机》第3章（周志明著）