Java 虚拟机 (JVM) 提供了多种垃圾回收器，每种都有不同的特点和适用场景。以下是对各垃圾回收器的详细解析。
1. 垃圾回收器分类概览
按工作模式分类：
串行回收器：单线程工作，适合客户端应用
并行回收器：多线程并行回收，注重吞吐量
并发回收器：部分工作与应用线程并发执行，减少停顿时间
分区回收器：将堆划分为多个区域，独立回收
按分代策略分类：
新生代回收器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
老年代回收器：Serial Old、Parallel Old、CMS
整堆回收器：G1、ZGC、Shenandoah
2. 经典分代回收器
2.1 Serial / Serial Old（串行回收器）
工作机制：单线程STW（Stop-The-World）回收
算法：新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法
适用场景：客户端模式，内存<100MB，单核CPU
启用参数：
-XX:+UseSerialGC
// Serial GC 工作示意图 新生代 Eden + Survivor (From) → Survivor (To) 老年代 标记-整理 → 压缩空间2.2 ParNew（并行新生代回收器）
工作机制：Serial的多线程并行版本
特点：与CMS配合使用，多核CPU下效率高
启用参数：
-XX:+UseParNewGC
2.3 Parallel Scavenge / Parallel Old（吞吐量优先回收器）
目标：最大化吞吐量（应用程序运行时间/总时间）
特点：自适应调节策略，适合后台计算
参数控制：
-XX:+UseParallelGC # 新生代并行 -XX:+UseParallelOldGC # 老年代并行 -XX:MaxGCPauseMillis=100 # 目标最大停顿时间 -XX:GCTimeRatio=99 # 吞吐量目标（GC时间/总时间） -XX:+UseAdaptiveSizePolicy # 自适应调节策略3. CMS（Concurrent Mark Sweep）回收器
3.1 设计目标
低延迟：减少STW时间
并发执行：大部分工作与应用线程并发
3.2 工作流程（四阶段）
初始标记（Initial Mark）- STW
标记GC Roots直接关联对象
短暂停顿
并发标记（Concurrent Mark）
遍历对象图，与应用线程并发
时间长但无停顿
重新标记（Remark）- STW
修正并发标记期间变动的部分
比初始标记稍长
并发清除（Concurrent Sweep）
清理垃圾对象
3.3 优缺点
优点：
低停顿时间
并发执行
缺点：
内存碎片问题
对CPU资源敏感
无法处理浮动垃圾
JDK9标记废弃，JDK14移除
3.4 参数配置
-XX:+UseConcMarkSweepGC # 启用CMS -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 # 触发阈值（老年代使用率） -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly # 使用固定阈值 -XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction=5 # 多少次FullGC后压缩4. G1（Garbage First）回收器
4.1 核心设计
Region分区：将堆划分为2048个Region（1MB-32MB）
分代逻辑：逻辑分代，物理不分代
回收策略：优先回收价值最大（垃圾最多）的Region
4.2 工作模式
Young GC（年轻代回收）
Eden区满时触发
存活对象复制到Survivor区或晋升老年代
Mixed GC（混合回收）
老年代达到阈值（默认45%）触发
回收所有年轻代+部分老年代Region
阶段：初始标记 → 并发标记 → 最终标记 → 筛选回收
4.3 参数配置
-XX:+UseG1GC # 启用G1 -XX:G1HeapRegionSize=16m # Region大小 -XX:MaxGCPauseMillis=200 # 目标停顿时间 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 # 触发并发标记阈值 -XX:ConcGCThreads=4 # 并发标记线程数5. ZGC（Z Garbage Collector）
5.1 设计目标
亚毫秒级停顿：<10ms，与堆大小无关
超大堆支持：支持TB级别堆内存
高吞吐量：损失<15%
5.2 核心技术
染色指针（Colored Pointers）
在指针中存储元数据（标记位、重映射位等）
64位指针布局：
0-41位：对象地址（4TB寻址） 42-45位：元数据位（标记、重定位等） 46-63位：未使用
读屏障（Load Barrier）
在读取对象时执行特定操作
检查指针状态，必要时触发修复
5.3 工作阶段
并发标记（Concurrent Mark）
并发预备重分配（Concurrent Prepare for Relocate）
并发重分配（Concurrent Relocate）
并发重映射（Concurrent Remap）
5.4 参数配置
-XX:+UseZGC # 启用ZGC -XX:ZAllocationSpikeTolerance=2.0 # 分配速率容忍度 -XX:ZCollectionInterval=0 # 触发GC的时间间隔 -XX:ZUncommitDelay=300 # 内存延迟归还时间（秒）6. Shenandoah GC
6.1 特点
低停顿：与ZGC类似，停顿时间与堆大小无关
并发压缩：真正的并发整理
Brooks指针：转发指针技术
6.2 工作流程
初始标记（STW）
并发标记
最终标记（STW）
并发清理
并发压缩
并发更新引用
6.3 参数配置
-XX:+UseShenandoahGC -XX:ShenandoahGCHeuristics=adaptive # 启发式策略 -XX:ShenandoahPacingInterval=10 # 分配速率控制间隔（毫秒）7. 回收器对比与选型
| 特性 | Serial | Parallel | CMS | G1 | ZGC | Shenandoah |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 并发性 | 无 | STW并行 | 部分并发 | 部分并发 | 完全并发 | 完全并发 |
| 整理算法 | 整理 | 整理 | 清除 | 局部整理 | 并发整理 | 并发整理 |
| 停顿时间 | 长 | 中等 | 短 | 可控 | 极短 | 极短 |
| 吞吐量 | 低 | 高 | 中等 | 高 | 高 | 高 |
| 适用场景 | 客户端 | 后端服务 | Web应用 | 大堆应用 | 超大堆低延迟 | 大堆低延迟 |
8. 选型建议
8.1 根据应用类型选择
客户端/小型应用：Serial GC
吞吐量优先：Parallel GC
低延迟Web应用：
JDK8及之前：CMS
JDK9+：G1
大堆内存低延迟：
JDK11+：ZGC（Oracle JDK）
JDK12+：Shenandoah（OpenJDK）
8.2 根据堆大小选择
<4GB：Parallel GC 或 CMS
4-16GB：G1
>16GB：ZGC 或 Shenandoah
8.3 根据延迟要求选择
>1秒：Parallel GC
100-500ms：G1
<10ms：ZGC 或 Shenandoah
9. 监控与调优
9.1 常用监控命令
# 查看默认GC java -XX:+PrintCommandLineFlags -version # 查看GC详细信息 java -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps # G1详细日志 java -XX:+UseG1GC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintAdaptiveSizePolicy9.2 关键性能指标
吞吐量：应用运行时间 / 总时间
停顿时间：单次GC暂停时间
延迟：应用响应时间
内存占用：堆内存使用率
9.3 调优步骤
分析需求：确定吞吐量/延迟优先级
选择回收器：根据堆大小和应用特点
基础配置：设置堆大小、区域大小等
参数优化：根据监控调整阈值和策略
压力测试：验证配置效果
生产监控：持续监控并调整
10. 最新发展
JDK 17+ 新特性
ZGC分代（实验性）：引入分代概念提升吞吐
Shenandoah优化：更低的CPU开销
统一日志：
-Xlog:gc*统一日志格式
JDK 21 更新
ZGC成为生产就绪
G1持续优化：更好的预测和自适应
并行Full GC优化：减少大堆的停顿时间
总结
选择合适的垃圾回收器需要综合考虑应用特性、硬件配置和性能要求。对于现代应用，G1已经成为默认推荐，而ZGC和Shenandoah为超大堆和极低延迟场景提供了优秀解决方案。实际选型时应通过性能测试验证，并根据生产监控数据持续优化。
