GC 入门：G1 与 ZGC 怎么选

1. 引言

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是 JVM 内存管理的核心机制。对于 Java 开发者来说，理解 GC 不仅有助于排查线上内存问题，更能在不同业务场景下做出合理的技术选型。随着 JDK 版本的演进，G1（Garbage First）和 ZGC（ZGC Garbage Collector）逐渐成为主流选择。本文将从分代回收、三色标记、卡表等基础概念讲起，分析 G1 与 ZGC 的适用场景与低延迟特点，并给出常用 GC 参数与日志分析方法，帮助你快速上手 GC 选型。

2. 分代回收

分代回收（Generational Collection）基于「大多数对象朝生夕灭」的弱分代假设，将堆内存划分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

年轻代：存放新创建的对象，又分为 Eden 区和两个 Survivor 区（S0、S1）。对象在 Eden 区分配，经历 Minor GC 后存活对象被复制到 Survivor 区，多次存活后晋升到老年代。
老年代：存放长期存活的对象，触发 Major GC / Full GC 的频率较低，但回收成本更高。

分代回收的核心收益在于：将回收频率高、存活率低的年轻代与回收频率低、存活率高的老年代分开处理，从而用更小的停顿时间换取更高的吞吐量。

3. 三色标记

三色标记（Tri-color Marking）是并发标记阶段的基础算法，用于解决「标记过程中对象引用关系发生变化」的问题。它将对象分为三种颜色：

白色：尚未被访问到的对象，标记结束后仍为白色的对象将被回收。
灰色：自身已被标记，但其引用的对象尚未全部标记完成。
黑色：自身及其直接引用的对象都已被标记完成。

标记过程从 GC Roots 出发，将可达对象依次由白变灰、由灰变黑。并发标记期间，如果黑色对象新增了对白色对象的引用，就可能出现「漏标」，导致存活对象被错误回收。为此，G1 使用 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）快照，ZGC 则通过读屏障（Load Barrier）与染色指针（Colored Pointers）来保证正确性。

4. 卡表

卡表（Card Table）是 G1 等分代收集器用于记录「老年代对象引用年轻代对象」的数据结构。年轻代回收（Minor GC）时，GC Roots 需要扫描老年代，若全量扫描代价过高，因此引入卡表：

将老年代划分为固定大小的卡（Card），每张卡对应卡表中的一个字节。
当老年代对象引用年轻代对象时，将该卡标记为 Dirty。
Minor GC 时只需扫描 Dirty 卡对应的老年代区域，而非整个老年代。

卡表以空间换时间，显著降低了跨代引用的扫描成本，是分代 GC 高性能的关键设计之一。

5. G1 适用场景

G1（Garbage First）收集器将堆划分为多个大小相等的 Region，通过维护每个 Region 的回收收益优先级，优先回收「垃圾最多、收益最大」的区域，从而在可控停顿时间内完成回收。

G1 的适用场景包括：

中等规模堆：如 4GB 到 64GB 的堆内存，G1 能较好地平衡吞吐量与停顿时间。
可预测停顿目标 ：通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置期望停顿时间，G1 会动态调整回收策略。
JDK 8 及以上：JDK 9 起 G1 成为默认收集器，适合大多数服务端应用。
需要兼顾吞吐与延迟：相比 CMS，G1 在避免碎片化与停顿可控性上更优。

6. ZGC 低延迟特点

ZGC（ZGC Garbage Collector）是面向大堆、低延迟场景设计的并发收集器，其核心目标是将 GC 停顿时间控制在毫秒级，且不随堆大小线性增长。

ZGC 的关键技术：

染色指针（Colored Pointers）：将对象地址的部分位用于记录标记状态，无需对象头即可完成并发标记。
读屏障（Load Barrier）：在读取对象引用时进行状态修正，保证并发重定位期间的正确性。
并发整理：ZGC 的标记、转移、重定位阶段均可与业务线程并发执行，大幅降低停顿。

ZGC 适合以下场景：

超大堆内存：如 64GB 以上，甚至 TB 级堆，ZGC 的停顿时间依然稳定。
低延迟敏感业务：如在线交易、实时推荐、网关服务等，要求 GC 停顿极低。
JDK 11+：ZGC 在 JDK 11 引入实验特性，JDK 15 起转正，JDK 17 后逐步成熟。

7. 常用 GC 参数与日志分析

7.1 常用 GC 参数

bash 复制代码

# 指定 G1 收集器
-XX:+UseG1GC
# 设置期望最大停顿时间（毫秒）
-XX:MaxGCPauseMillis=200
# 指定 ZGC 收集器
-XX:+UseZGC
# 设置堆大小
-Xms4g -Xmx4g
# 打印 GC 日志（JDK 8）
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps
# 打印 GC 日志（JDK 9+）
-Xlog:gc*

7.2 GC 日志分析

以 G1 为例，一段典型的 GC 日志如下：

text 复制代码

[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young) 512M->128M(1024M), 0.0123456 secs]

关键信息解读：

GC pause：停顿类型，G1 Evacuation Pause 表示年轻代转移暂停。
512M->128M：回收前后堆使用量。
(1024M)：当前堆总容量。
0.0123456 secs：本次停顿耗时。

分析建议：

关注停顿频率与耗时是否满足 MaxGCPauseMillis 目标。
若年轻代回收频繁且晋升对象多，可适当调大年轻代或调整 -XX:SurvivorRatio。
若出现 Full GC，优先排查内存泄漏或大对象分配。

8. 总结与选型建议

G1 与 ZGC 的选择应结合业务特点：

默认首选 G1：大多数服务端应用、中等堆内存、可接受几十毫秒停顿，直接使用 G1 即可。
低延迟优先选 ZGC：超大堆、对停顿极其敏感的业务，优先考虑 ZGC。
关注 JDK 版本：ZGC 在较新 JDK 上表现更稳定，升级前建议做充分的压测验证。

理解分代回收、三色标记与卡表等基础原理，再结合 GC 日志持续调优，才能让 JVM 在真实业务中发挥最佳性能。