G1（Garbage-First）和 CMS（Concurrent Mark Sweep）都是 JVM 中针对老年代 的垃圾收集器，旨在解决传统 Serial Old、Parallel Old 收集器的STW（Stop-The-World）时间过长问题，适用于高并发、低延迟的应用场景。但二者的设计理念、实现机制和适用场景差异显著，本文将从核心特性、工作原理、优缺点及对比维度展开详解。
一、CMS 收集器详解
CMS 是第一款真正意义上的并发低延迟垃圾收集器 ，基于标记 - 清除（Mark-Sweep） 算法实现，核心目标是尽可能缩短 STW 时间，适用于对响应时间要求高的业务（如 Web 服务）。
1. 核心设计特点
- 并发收集：大部分垃圾收集工作与用户线程并行执行，仅在少数阶段暂停用户线程。
- 标记 - 清除算法 ：只标记存活对象，直接清除死亡对象，不进行内存压缩。
- 老年代专属：需配合新生代的 Serial GC 或 ParNew GC 使用（通常搭配 ParNew + CMS）。
2. 工作流程（分为 6 个阶段，其中 4 个并发阶段）
（1）初始标记（Initial Mark）- STW
- 目标 ：标记GC Roots 直接关联的老年代对象（如新生代存活对象引用的老年代对象、全局静态变量引用的对象）。
- 特点：暂停时间极短，仅扫描 GC Roots 直接关联的对象，无复杂遍历。
（2）并发标记（Concurrent Mark）- 并发
- 目标 ：从初始标记的对象出发，遍历整个老年代的对象引用图，标记所有存活对象。
- 特点 ：与用户线程并行执行，无 STW，但可能因用户线程修改对象引用产生浮动垃圾（Floating Garbage）（标记过程中产生的新垃圾，需等待下一次 GC 清理）。
（3）重新标记（Remark）- STW
- 目标 ：修正并发标记阶段因用户线程运行导致的标记遗漏（如对象引用被修改、新对象创建）。
- 优化手段 ：使用增量更新（Incremental Update） 算法，仅处理被修改的引用，缩短 STW 时间。
- 特点：STW 时间比初始标记长，但远短于 Full GC；是 CMS 中主要的 STW 阶段之一。
（4）并发清除（Concurrent Sweep）- 并发
- 目标：遍历老年代空间，清除所有未被标记的死亡对象，释放内存。
- 特点 ：与用户线程并行执行，无 STW；但因标记 - 清除算法，会产生内存碎片。
（5）并发重置（Concurrent Reset）- 并发
- 目标：重置 CMS 收集器的内部状态（如标记位、数据结构），为下一次 GC 做准备。
3. 关键参数
| 参数 | 作用 |
|---|---|
-XX:+UseConcMarkSweepGC |
启用 CMS 收集器 |
-XX:+UseParNewGC |
新生代使用 ParNew（与 CMS 配合的默认新生代收集器） |
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction |
设置 CMS 触发的老年代占用阈值（默认 92%，如设为 70 表示老年代用了 70% 时触发 CMS） |
-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction |
设置多少次 CMS 后执行一次内存压缩（默认 0，即每次 Full GC 都压缩） |
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection |
开启 Full GC 时的内存压缩（解决碎片问题） |
4. 优缺点
优点
- 低延迟：大部分阶段并发执行，STW 时间极短，适合对响应时间敏感的应用（如电商、金融交易系统）。
- 成熟稳定：JDK 1.5 引入，经过长期迭代优化，在 JDK 8 中仍被广泛使用。
缺点
- 内存碎片 ：标记 - 清除算法不压缩内存，长期运行会产生大量碎片，导致分配大对象时触发 Full GC（STW 时间长）。
- CPU 敏感：并发阶段需要占用 CPU 资源，在 CPU 核心数少的机器上（如 2 核），会与用户线程竞争 CPU，导致应用吞吐量下降。
- 浮动垃圾 ：并发标记阶段产生的垃圾无法被当前 GC 清理，需占用额外内存空间，若老年代空间不足，会触发Concurrent Mode Failure（并发模式失败），进而退化为 Serial Old GC（STW 时间更长）。
- 仅支持老年代：需与新生代收集器配合，无法单独使用。
二、G1 收集器详解
G1（Garbage-First）是 JDK 7 引入、JDK 9 默认的垃圾收集器，设计目标是在高吞吐量的前提下，实现可预测的 STW 时间，适用于大内存（如 8GB 以上）、低延迟的应用场景。
1. 核心设计特点
- 区域化内存管理 ：将堆内存划分为多个大小相等的Region （区域，默认 1MB~32MB，可通过
-XX:G1HeapRegionSize设置），新生代和老年代不再是连续的内存块，而是由多个 Region 组成（动态变化）。 - 混合收集：同时处理新生代和老年代，无需单独的新生代收集器。
- 标记 - 整理（Mark-Compact）+ 复制算法：在回收时，将存活对象复制到新的 Region，同时完成内存压缩，避免碎片。
- 可预测的停顿 ：用户可通过
-XX:MaxGCPauseMillis（默认 200ms）设置目标 STW 时间，G1 会根据历史 GC 数据动态调整回收策略，尽量满足该目标。 - 垃圾优先 ：优先回收垃圾比例最高的 Region（即回收成本最低的 Region），以最大化回收效率。
2. 内存布局
G1 的堆内存被划分为一系列大小相同的 Region，主要包含以下类型：
- Eden Region：新生代伊甸区，对象创建的主要区域。
- Survivor Region：新生代幸存区，存储每次 GC 后存活的新生代对象。
- Old Region：老年代区域，存储存活时间较长的对象。
- Humongous Region ：存储大对象（大小超过一个 Region 的 50%），直接划入老年代，避免大对象在新生代和老年代之间频繁移动。
3. 工作流程（分为 5 个阶段，含并发和 STW 阶段）
（1）初始标记（Initial Mark）- STW
- 目标 ：标记 GC Roots 直接关联的对象，同时标记新生代 Survivor 区引用的老年代对象。
- 触发时机：通常在新生代 GC（Young GC）时顺便执行，因此 STW 时间极短。
（2）并发标记（Concurrent Mark）- 并发
- 目标 ：从初始标记的对象出发，遍历整个堆的对象引用图，标记所有存活对象，并计算每个 Region 的垃圾比例（存活对象占比）。
- 特点 ：与用户线程并行执行，无 STW；过程中会记录对象的引用变化（使用SATB（Snapshot At The Beginning） 算法，解决并发标记的一致性问题）。
（3）最终标记（Final Mark）- STW
- 目标 ：处理并发标记阶段的引用更新日志，修正标记结果。
- 特点 ：使用多线程并行执行，会STW ，但时间较短。
（4）筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）- STW
- 目标 ：
- 计算每个 Region 的垃圾比例，排序后选择垃圾比例最高的 Region（优先回收）。
- 将选中的 Region 中的存活对象复制到新的 Region（Eden/Survivor/Old），同时清除原 Region 的垃圾，完成内存压缩。
- 特点 ：可通过
-XX:MaxGCPauseMillis控制回收的 Region 数量，从而控制 STW 时间；是 G1 中主要的 STW 阶段，但时间可预测。
（5）新生代收集（Young GC）
- G1 的 Young GC 独立于混合收集，当 Eden Region 满时触发，将存活对象复制到 Survivor Region 或 Old Region，STW 时间短且可预测。
4. 关键参数
| 参数 | 作用 |
|---|---|
-XX:+UseG1GC |
启用 G1 收集器 |
-XX:MaxGCPauseMillis |
设置目标 STW 时间（默认 200ms，G1 会尽量满足） |
-XX:G1HeapRegionSize |
设置 Region 大小（1MB~32MB，需为 2 的幂） |
-XX:G1NewSizePercent |
新生代最小占比（默认 5%） |
-XX:G1MaxNewSizePercent |
新生代最大占比（默认 60%） |
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent |
触发并发标记的堆占用阈值（默认 45%） |
5. 优缺点
优点
- 可预测的 STW 时间：通过控制回收的 Region 数量，能满足用户设定的最大停顿时间，适合低延迟场景。
- 无内存碎片：采用复制 + 标记 - 整理算法，回收时完成内存压缩，避免碎片问题。
- 大内存友好：区域化管理使 G1 在大内存（如 16GB、32GB）下的 GC 效率远高于 CMS。
- 统一管理新生代和老年代：无需配合其他收集器，简化配置。
- 垃圾优先回收：优先回收垃圾多的 Region，回收效率更高。
缺点
- 内存开销高：G1 需要维护每个 Region 的元数据（如垃圾比例、存活对象数），以及 SATB 算法的引用日志，内存开销约为堆内存的 10%~20%，比 CMS 高。
- CPU 消耗大：并发标记和筛选回收阶段的线程调度、数据统计等操作会消耗更多 CPU 资源。
- 小内存场景优势不明显：在小内存（如 4GB 以下）场景下，G1 的开销可能超过其优势，性能不如 Parallel GC 或 CMS。
三、G1 与 CMS 的核心对比
| 对比维度 | CMS | G1 |
|---|---|---|
| 设计目标 | 尽可能缩短 STW 时间，追求低延迟 | 可预测的 STW 时间，兼顾吞吐量和低延迟 |
| 内存管理 | 新生代和老年代连续内存块，固定分区 | 堆划分为多个 Region，动态分区（新生代 / 老年代由 Region 组成） |
| 垃圾回收算法 | 标记 - 清除（Mark-Sweep） | 标记 - 整理（Mark-Compact）+ 复制算法 |
| 内存碎片 | 严重（标记 - 清除不压缩） | 无（回收时复制存活对象，完成压缩） |
| 收集范围 | 仅老年代（需配合 ParNew） | 新生代 + 老年代（统一管理） |
| STW 特性 | STW 时间短但不可预测，可能因 Concurrent Mode Failure 导致长时间 STW | STW 时间可通过参数设定，G1 动态调整回收策略以满足目标 |
| 大对象处理 | 直接在老年代分配，易产生碎片 | 用 Humongous Region 存储，回收时统一处理，无碎片 |
| 并发阶段 CPU 消耗 | 较低（仅并发标记和清除） | 较高（需维护 Region 元数据、SATB 日志等） |
| 内存开销 | 较低（约堆内存的 5%） | 较高（约堆内存的 10%~20%） |
| 适用场景 | 小内存（4GB 以下）、低延迟、CPU 核心数少的场景 | 大内存（8GB 以上）、可预测延迟、高并发的场景 |
| JDK 支持 | JDK 1.5 引入，JDK 9 被标记为废弃，JDK 14 移除 | JDK 7 引入，JDK 9 成为默认收集器，持续优化 |
| 浮动垃圾处理 | 并发阶段产生的浮动垃圾需下次 GC 清理，易触发 Concurrent Mode Failure | 同样存在浮动垃圾，但 Region 化管理降低了风险 |
四、选型建议
-
选择 CMS 的场景：
- 应用部署在小内存（4GB 以下） 、CPU 核心数少（2~4 核） 的机器上。
- 对瞬时延迟敏感，且能接受少量内存碎片和偶尔的 Full GC。
- 基于 JDK 8 及以下版本，且无需大内存支持。
-
选择 G1 的场景：
- 应用部署在大内存（8GB 以上） 、多核 CPU的机器上（如云服务器、物理机）。
- 要求可预测的 STW 时间（如电商秒杀、金融交易系统）。
- 希望避免内存碎片，减少 Full GC 的发生。
- 使用 JDK 9 及以上版本（G1 为默认收集器，优化更完善）。
-
其他选择：
- 若追求高吞吐量（如后台批处理任务），可选择 Parallel GC（Parallel Scavenge + Parallel Old）。
- 若追求极致低延迟（如微服务、实时计算），可选择 ZGC 或 Shenandoah（JDK 11 + 支持，STW 时间可达毫秒级）。
五、总结
CMS 是第一代并发低延迟收集器 ，通过标记 - 清除算法实现了短 STW 时间，但存在内存碎片、CPU 敏感、并发模式失败等问题，适合小内存、低延迟的传统应用；G1 是新一代垃圾收集器，通过区域化管理、垃圾优先回收和可预测停顿，解决了 CMS 的核心痛点，更适合大内存、高并发的现代应用。
随着 JDK 版本的迭代，G1 已成为主流选择，而 CMS 逐渐被废弃。在实际项目中，应根据内存大小、CPU 核心数、延迟要求等因素选择合适的收集器，并通过压测和监控持续优化 GC 参数。