零基础学习性能测试第五章：JVM性能分析与调优-垃圾回收器的分类与回收

目录

• • • 一、垃圾回收器分类三维图
    • 二、7大经典回收器对比表（核心特性+适用场景）
    • 三、回收器工作机制图解
    • • [1. **Serial回收器 - "单线程保洁员"**](#1. Serial回收器 - “单线程保洁员”)
      • [2. **CMS回收器 - "低延迟专家"**](#2. CMS回收器 - “低延迟专家”)
      • [3. **G1回收器 - "分区回收大师"**](#3. G1回收器 - “分区回收大师”)
      • [4. **ZGC回收器 - "TB级堆的极速王者"**](#4. ZGC回收器 - “TB级堆的极速王者”)
    • 四、不同场景回收器选型指南
    • • 场景1：电商大促系统（8核16G）
      • 场景2：金融交易系统（低延迟要求）
      • 场景3：数据分析批处理（吞吐优先）
    • 五、调优实战案例：日活百万的APP后端优化
    • • **问题现象**：
      • **优化过程**：
    • [六、新一代回收器对比（ZGC vs Shenandoah）](#六、新一代回收器对比（ZGC vs Shenandoah）)
    • 七、回收器参数优化模板
    • • G1调优模板（16G堆）：
      • ZGC调优模板（大内存）：
    • 八、终极选型决策树

以下是针对零基础学习者的 JVM垃圾回收器分类与回收机制 终极解析，结合可视化模型与实战对比，助你彻底掌握不同回收器的核心差异与选型策略：

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一、垃圾回收器分类三维图

垃圾回收器 线程模式 内存区域 算法类型 单线程 多线程并行 多线程并发 新生代 老年代 全堆 标记-复制 标记-清除 标记-整理

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二、7大经典回收器对比表（核心特性+适用场景）

回收器	分代	线程模式	算法	适用场景	STW时间	启用参数
Serial	新生代	单线程	复制	客户端程序/小内存	高	-XX:+UseSerialGC
ParNew	新生代	并行	复制	CMS搭档	中	-XX:+UseParNewGC
Parallel Scavenge	新生代	并行	复制	吞吐量优先应用	中	-XX:+UseParallelGC
Serial Old	老年代	单线程	标记-整理	Client模式	高	默认启用
Parallel Old	老年代	并行	标记-整理	吞吐量优先应用	中	-XX:+UseParallelOldGC
CMS	老年代	并发	标记-清除	Web服务/低延迟系统	低（但存在浮动垃圾）	-XX:+UseConcMarkSweepGC
G1	全堆	并发	分区+标记-整理	大内存(6G+)/平衡吞吐与延迟	可预测	-XX:+UseG1GC
ZGC	全堆	并发	着色指针+读屏障	超大堆(TB级)/极致低延迟	<10ms	-XX:+UseZGC
Shenandoah	全堆	并发	转发指针	低延迟/大堆	<10ms	-XX:+UseShenandoahGC

📌 核心选择标准：

• 吞吐量优先 → Parallel Scavenge + Parallel Old
• 低延迟优先 → G1/ZGC/Shenandoah
• 小内存 → Serial + Serial Old

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三、回收器工作机制图解

1. Serial回收器 - "单线程保洁员"

应用线程 Serial GC Eden区满 暂停所有线程(STW) 单线程标记存活对象 复制到Survivor区 恢复运行 应用线程 Serial GC

特点：简单高效无竞争，但STW时间长

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2. CMS回收器 - "低延迟专家"

初始标记 STW 并发标记 重新标记 STW 并发清除

四步过程：

1. 初始标记：标记GC Roots直接关联对象（STW短）
2. 并发标记：遍历对象图（与用户线程并发）
3. 重新标记：修正并发标记变动（STW中）
4. 并发清除：清理垃圾对象（并发）

致命缺陷：内存碎片 + 并发模式失败（Concurrent Mode Failure）

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3. G1回收器 - "分区回收大师"

G1堆结构 Region2 Region1 Region4 Region3 Region2048 ... 回收过程 初始标记 STW 并发标记 最终标记 STW 筛选回收 STW

核心创新：

• 将堆划分为等长Region（默认2048个）
• 优先回收价值最大的Region（垃圾比例高）
• 可预测停顿模型 ：-XX:MaxGCPauseMillis=200

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4. ZGC回收器 - "TB级堆的极速王者"

并发标记 并发预备重分配 并发重分配 并发重映射

三大黑科技：

1. 着色指针：在指针中存储对象状态信息
2. 读屏障：动态修正对象引用
3. 内存映射：支持TB级堆，STW<10ms

适用场景：云原生/大数据/实时交易系统

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四、不同场景回收器选型指南

场景1：电商大促系统（8核16G）

# 目标：平衡吞吐与延迟
-XX:+UseG1GC 
-XX:MaxGCPauseMillis=200 
-XX:G1HeapRegionSize=4m

场景2：金融交易系统（低延迟要求）

# 亚毫秒级暂停
-XX:+UseZGC 
-XX:+ZGenerational  # JDK21+启用分代ZGC
-Xmx32g

场景3：数据分析批处理（吞吐优先）

# 最大化计算资源利用率
-XX:+UseParallelGC 
-XX:ParallelGCThreads=8 
-XX:GCTimeRatio=99  # GC时间占比<1%

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五、调优实战案例：日活百万的APP后端优化

问题现象：

• 高峰期API延迟飙升至2秒
• CMS频繁发生Concurrent Mode Failure

优化过程：

1. 诊断工具 ：

   # 发现老年代碎片率45%
   jmap -heap <pid>
   
   # GC日志显示：
   [CMS-concurrent-mark: 1.234/2.345 secs]
   [CMS Failure: Allocation Failure]

2. 切换回收器 ：

   # 从CMS迁移到G1
   -XX:+UseG1GC 
   -XX:MaxGCPauseMillis=150
   -XX:G1HeapRegionSize=4m

3. 结果对比 ：

   指标	CMS	G1	提升幅度
   平均延迟	1240ms	230ms	81%↓
   99%延迟	3560ms	450ms	87%↓
   Full GC次数	12次/小时	0次	100%↓

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六、新一代回收器对比（ZGC vs Shenandoah）

特性	ZGC（Oracle）	Shenandoah（RedHat）
最大堆	16TB	16TB
暂停时间	<10ms	<10ms
分代支持	JDK21+（-XX:+ZGenerational）	暂不支持
内存开销	15-20%	10-15%
压缩指针	必须启用	可选
适用JDK	JDK11+	JDK8u/11/17

💡 选型建议：

• OpenJDK环境 → Shenandoah（兼容性更好）
• Oracle JDK → ZGC（官方支持更强）

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七、回收器参数优化模板

G1调优模板（16G堆）：

-XX:+UseG1GC
-Xms12g -Xmx12g
-XX:MaxGCPauseMillis=200       # 目标暂停时间
-XX:G1HeapRegionSize=4m        # 区域大小
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 # 老年代占比45%触发GC
-XX:ConcGCThreads=4            # 并发线程数
-XX:G1ReservePercent=15        # 保留内存防晋升失败

ZGC调优模板（大内存）：

-XX:+UseZGC
-Xms24g -Xmx24g
-XX:ConcGCThreads=8            # 并发线程数
-XX:SoftMaxHeapSize=20g        # 动态堆调整上限
-XX:+ZProactive                # 主动触发回收
-XX:+ZGenerational             # JDK21+启用分代

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八、终极选型决策树

避坑指南：

1. CMS在JDK14被废弃，JDK17移除 → 勿在新项目使用
2. G1的-XX:MaxGCPauseMillis只是目标值，非硬承诺
3. ZGC在JDK21前无分代 → 年轻代回收效率低

通过本指南，您将掌握：

✅ 主流回收器核心工作机制

✅ 不同场景下的选型策略

✅ 关键参数优化技巧

✅ 避免回收器选型误区

✅ 应对高并发低延迟的终极方案

立即行动 ：使用命令java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep GC 查看当前JVM默认回收器！