JVM 性能飞升秘籍：深入 CMS、G1、ZGC 核心世界垃圾回收器分类与核心目标垃圾回收器核心目标适用场景 JD

垃圾回收器分类与核心目标

垃圾回收器	核心目标	适用场景	JDK版本支持
CMS	低延迟（减少STW时间）	中小堆内存、响应敏感型应用	JDK8及之前（JDK14废弃）
G1	平衡吞吐量与延迟（可预测停顿）	中大堆内存（4GB~16GB）	JDK9+（默认回收器）
ZGC	极低延迟（亚毫秒级STW）	超大堆内存（TB级）	JDK11+（生产级支持JDK15+）

CMS（Concurrent Mark-Sweep）

1. 工作阶段

初始标记（Initial Mark） ：标记GC Roots直接关联的对象（STW，短暂停顿）。
并发标记（Concurrent Mark） ：遍历整个对象图（与用户线程并发）。
重新标记（Remark） ：修正并发标记期间变动的对象（STW，使用增量更新或原始快照）。
并发清除（Concurrent Sweep） ：清理垃圾对象（与用户线程并发）。

2. 核心特点

优点：并发收集，减少STW时间。
缺点：
- 内存碎片：长期运行后需Full GC压缩堆。
- CPU敏感：并发阶段占用CPU资源，影响吞吐量。
- 浮动垃圾：并发清除期间可能产生新垃圾。

3. 调优参数

-XX:+UseConcMarkSweepGC      # 启用CMS
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70  # 老年代使用率70%时触发CMS
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection   # Full GC时压缩内存

4. 常见问题

并发模式失败（Concurrent Mode Failure） ：
- 原因：CMS执行期间老年代空间不足。
- 解决：增大老年代空间或降低触发阈值（CMSInitiatingOccupancyFraction）。
内存碎片：
- 解决：定期Full GC或切换为G1/ZGC。

G1（Garbage-First）

1. 核心设计

Region分区：将堆划分为多个等大小（1MB~32MB）的Region，分为Eden、Survivor、Old、Humongous（存放大对象）。
Mixed GC：同时回收新生代和老年代Region。
停顿预测模型：通过历史数据预测每次GC的停顿时间（默认目标200ms）。

把堆分成若干个Region分区的作用是实现了更细粒度的内存管理，也就是所谓的分而治之的思想，同时G1也可以实现对单个Region进行回收，从而不需要对整个堆进行扫描和回收，这样大大提高了回收效率，当然，Region的价值大小（也就是说回收所获得的内存空间大小以及回收所需时间的经验值）会被G1跟踪并记录，在允许收集时间期间，会优先回收这种价值最大的Region，所以这也是G1的名字由来（Garbage First）

2. 工作阶段

年轻代GC（Young GC） ：回收Eden和Survivor区。
并发标记（Concurrent Marking） ：标记老年代存活对象（类似CMS）。
混合回收（Mixed GC） ：回收部分老年代Region（基于垃圾比例优先级）。

3. 调优参数

-XX:+UseG1GC                # 启用G1
-XX:MaxGCPauseMillis=200     # 目标停顿时间（毫秒）
-XX:G1HeapRegionSize=4m      # Region大小（需为2的幂）
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45  # 堆使用率45%时触发并发标记

4. 常见问题

大对象分配失败：
- 原因：Humongous Region不足。
- 解决：增大Region大小或减少大对象生成。
Mixed GC效率低：
- 解决：降低InitiatingHeapOccupancyPercent提前触发标记。

ZGC（Z Garbage Collector）

1. 核心设计

染色指针（Colored Pointers） ：在指针元数据中记录对象状态（可达性、重定位）。
读屏障（Load Barrier） ：在访问对象时触发屏障，处理对象重定位。
无分代：全堆回收，但通过并发处理实现亚毫秒级STW。

1.1. 染色指针含义

染色指针是一种将标志位直接存储在对象指针中的技术。在 64 位系统中，指针的位数并没有被完全利用，ZGC 利用了这一点，将一些用于标记对象状态的标志位存储在指针的特定位上，就好像给指针染上了不同的 “颜色”，所以被称为染色指针。

1.1.1. 原理

在 64 位系统中，理论上可用的地址空间非常大，但实际上操作系统通常不会使用这么大的地址范围。以常见的情况为例，可能只会使用到其中 48 位来表示实际的内存地址，剩余的位就可以被 ZGC 用来存储额外的信息。 ZGC 的染色指针使用了其中的 4 位来存储 4 个标志信息，从低到高分别为：

Marked0：用于第一次标记阶段，标记对象是否被标记过。
Marked1：用于第二次标记阶段，和 Marked0 交替使用，避免重复初始化。
Remapped：用于重定位阶段，标记对象是否已经被移动到新的位置。
Finalizable：表示对象是否只能通过 finalizer 方法来访问。

2. 工作阶段

并发标记（Concurrent Mark） ：标记存活对象。
并发预备重定位（Concurrent Prepare for Relocate） ：确定重定位集。
并发重定位（Concurrent Relocate） ：移动对象并更新引用。
引用处理（Reference Processing） ：处理软/弱/虚引用。

3. 调优参数

-XX:+UseZGC                 # 启用ZGC
-XX:ZAllocationSpikeTolerance=5  # 内存分配尖峰容忍度（百分比）
-XX:ZCollectionInterval=120 # 强制GC间隔（秒，默认不限制）

4. 适用场景与限制

优势：TB级堆内存、亚毫秒级停顿（<10ms）。
限制：JDK15+生产级支持，Windows/macOS支持较晚。

三大回收器对比

维度	CMS	G1	ZGC
STW时间	中等（初始标记、重新标记）	可控（基于预测模型）	极低（亚毫秒级）
内存占用	低	较高（Region元数据）	高（染色指针、内存映射）
吞吐量	中等	高	高
适用堆大小	<4GB	4GB~16GB	>16GB（支持TB级）
内存碎片	严重	可控	无

场景选择建议

中小堆、低延迟：CMS（仅JDK8及之前）。
中大堆、平衡吞吐量与延迟：G1（JDK9+默认）。
超大堆、极致低延迟：ZGC（JDK15+生产环境）。

高频面试题

CMS为什么被废弃？
- 内存碎片问题难以解决，且G1/ZGC在吞吐量和延迟上更优。
ZGC如何实现几乎无STW？
- 通过染色指针和读屏障技术，将标记和重定位阶段并发执行。
G1的Mixed GC如何选择Region？
- 基于“垃圾优先”策略，优先回收垃圾比例高的Region。