垃圾回收（Garbage Collection, GC）是Java生态的核心技术之一，其演进历程不仅反映了硬件性能的飞速发展，也映射了从桌面应用到云原生时代的场景变迁。本文将带你回顾JVM垃圾回收器的重要发展阶段，解析每个时代的关键技术及其背后的设计哲学。
一、单线程时代：Serial GC（JDK 1.3）
核心特点
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单线程回收：所有GC操作由单个线程执行，触发时暂停所有应用线程（Stop-The-World, STW）。
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分代模型：
- 年轻代：复制算法（存活对象从Eden区复制到Survivor区）
- 老年代：标记-整理算法（Serial Old）
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适用场景：单核CPU、客户端应用（如早期Swing程序）。
历史意义
作为JVM最早的GC实现，Serial GC奠定了分代回收的基础逻辑，但其单线程模型在多核时代迅速暴露性能瓶颈。
二、并行化革命：Parallel GC（JDK 1.4~1.5）
1. Parallel Scavenge + Parallel Old
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目标：最大化吞吐量（单位时间处理任务量）。
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设计：
- 年轻代（Parallel Scavenge）：多线程并行复制算法。
- 老年代（Parallel Old，JDK 1.5引入）：多线程标记-整理算法。
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适用场景：计算密集型任务（如离线数据分析）。
2. ParNew + CMS组合（JDK 1.5）
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ParNew：
- 年轻代多线程回收器，专为CMS设计。
- 与Parallel Scavenge类似，但优化方向不同（低延迟优先）。
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CMS（Concurrent Mark-Sweep） ：
- 老年代并发标记-清除，减少STW时间。
- 局限性：内存碎片、并发失败时回退到Serial Old（长时间STW）。
技术突破
通过多线程并行化，显著提升吞吐量，但延迟问题（尤其是Full GC）仍未彻底解决。
三、分区时代：G1 GC（JDK 7u4~9）
核心设计
- 堆分区：将堆划分为多个等大小的Region（区域），动态管理年轻代/老年代。
- 回收策略：优先回收垃圾比例高的Region（Garbage-First），兼顾吞吐量和延迟。
优势
- 可预测停顿 ：通过
-XX:MaxGCPauseMillis参数设定目标停顿时间。 - 内存碎片控制：整体采用标记-整理算法，避免CMS的碎片问题。
历史地位
JDK 9起成为默认GC，取代CMS成为服务端应用的主流选择。
四、低延迟时代：ZGC与Shenandoah（JDK 11+）
1. ZGC（Z Garbage Collector）
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目标：亚毫秒级停顿，支持TB级堆内存。
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关键技术：
- 染色指针（Colored Pointers） ：在指针中嵌入元数据，实现并发标记与压缩。
- 读屏障（Load Barrier） ：动态修正指针状态，无需全局暂停。
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适用场景：实时系统、云原生基础设施。
2. Shenandoah
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核心创新：
- 并发压缩：与ZGC类似，但通过Brooks指针实现内存整理。
- 停顿时间与堆大小无关。
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与ZGC的区别：
- Shenandoah由Red Hat主导，ZGC由Oracle开发。
- 实现细节不同（如内存屏障机制），但目标一致。
技术突破
通过并发压缩和硬件级优化（如多核并行），彻底打破"低延迟需牺牲吞吐量"的传统困局。
五、特殊用途回收器
1. Epsilon GC（JDK 11）
- 特点：只分配内存，不执行回收。
- 用途：性能测试、短生命周期任务（如CI/CD流水线）。
2. Serial Old的终局
- 历史角色：CMS的备选回收器，单线程标记-整理。
- 现状：随CMS在JDK 14中被移除，逐渐退出历史舞台。
六、演进驱动力与未来趋势
1. 核心驱动力
- 硬件发展：多核CPU、大内存、NUMA架构。
- 应用场景：从批处理到实时系统、微服务、Serverless。
- 算法创新：并发标记、染色指针、读屏障等技术突破。
2. 未来方向
- 异构计算：利用GPU/DPU加速GC任务。
- 内存层级优化：针对持久化内存（PMEM）等新硬件设计GC策略。
- 无分代模型：ZGC/Shenandoah已验证统一堆管理的可行性。
七、总结：如何选择垃圾回收器？
| 场景 | 推荐GC | 关键参数 |
|---|---|---|
| 低延迟实时系统 | ZGC/Shenandoah | -XX:+UseZGC / -XX:+UseShenandoahGC |
| 高吞吐批处理 | Parallel GC | -XX:+UseParallelGC |
| 中小堆内存平衡场景 | G1 GC | -XX:+UseG1GC |
| 短期任务/测试 | Epsilon GC | -XX:+UseEpsilonGC |
八、演进时间线
| 年代 | 核心事件 |
|---|---|
| 2000s初 | Serial GC（单线程分代） |
| 2004 | Parallel Scavenge + Serial Old（JDK 1.4） |
| 2005 | CMS + ParNew + Serial Old（JDK 1.5） |
| 2012 | G1 GC（实验性，JDK 7u4） |
| 2017 | G1成为默认（JDK 9） |
| 2018~2020 | ZGC/Shenandoah实验性引入（JDK 11~15） |
| 2023+ | ZGC成为生产环境主流（JDK 21+优化） |
结语：JVM垃圾回收器的演进是一部"与硬件赛跑，为应用赋能"的技术史诗。理解这段历史，不仅能帮助开发者优化系统性能，更能洞察未来技术的演进方向。正如Java始终"Write Once, Run Anywhere"，GC技术也在不断追求"Pause Less, Serve More"的理想境界。