第五章：JVM 垃圾收集器详解（Serial、Parallel、CMS、G1、ZGC）
本章目标：
- 搞懂 JVM 各种垃圾收集器的发展历程
- 理解 Serial、Parallel、CMS、G1、ZGC 的区别
- 掌握各自适用场景
- 理解为什么 CMS 被淘汰
- 理解为什么 G1 成为默认 GC
- 理解 ZGC 为什么能做到毫秒级停顿
一、为什么会有这么多 GC？
很多同学刚接触 JVM 时都会疑惑：
垃圾回收不就是回收垃圾吗？
为什么有这么多GC？
原因很简单：
不同业务场景，对 GC 的要求不同。
例如：
场景1：后台任务系统
允许停顿1秒
吞吐量优先
例如：
- 大数据计算
- 批处理任务
场景2：电商系统
停顿不能超过200ms
例如：
- 下单
- 支付
场景3：金融交易系统
停顿不能超过10ms
例如：
- 股票撮合
- 高频交易
因此 JVM 的发展目标一直是：
更少的STW
更高的吞吐量
更低的延迟
二、GC 收集器发展史
JDK 发展过程：
JDK1.3
│
▼
Serial
JDK1.4
│
▼
Parallel
JDK1.5
│
▼
CMS
JDK7u4
│
▼
G1
JDK11+
│
▼
ZGC
JDK17+
│
▼
ZGC逐渐成熟
三、GC 收集器分类
按照目标分类：
吞吐量优先
Serial
Parallel
低延迟优先
CMS
G1
ZGC
Shenandoah
四、Serial GC
最古老的垃圾收集器。
JDK1.3时代就存在。
工作方式
GC时：
暂停所有线程
↓
单线程GC
↓
恢复业务线程
示意图：
用户线程
─────────────
暂停
暂停
暂停
GC线程
回收
五、Serial GC 特点
优点：
实现简单
内存占用小
缺点：
STW时间长
只能单线程GC
适用场景：
单核CPU
小堆内存
客户端程序
开启方式：
-XX:+UseSerialGC
六、Parallel GC（吞吐量优先）
也叫：
Throughput Collector
吞吐量收集器。
目标：
尽可能提高CPU利用率
例如：
8核CPU
Serial：
1个GC线程
Parallel：
8个GC线程
同时工作。
七、吞吐量是什么？
公式：
吞吐量 =
业务运行时间
───────────
业务时间+GC时间
例如：
100秒运行：
业务99秒
GC 1秒
吞吐量：
99%
八、Parallel GC 特点
优点：
回收速度快
吞吐量高
缺点：
STW依然存在
只是：
停顿时间缩短
而不是消失。
适用：
批处理
大数据任务
离线计算
开启：
-XX:+UseParallelGC
九、CMS（Concurrent Mark Sweep）
CMS 是 JVM 历史上的里程碑。
首次提出：
并发回收
思想。
目标：
降低停顿时间
而不是提升吞吐量。
十、CMS 工作流程
CMS分四步：
初始标记
并发标记
重新标记
并发清除
示意：
初始标记(STW)
↓
并发标记
(用户线程运行)
↓
重新标记(STW)
↓
并发清除
(用户线程运行)
十一、CMS 最大优势
GC过程中：
大部分时间：
用户线程
继续运行
而不是完全暂停。
例如：
Serial：
暂停500ms
CMS：
暂停20ms
用户体验大幅提升。
十二、CMS 的缺陷
CMS 最终被淘汰。
原因主要有三个。
缺陷1：内存碎片
CMS采用：
标记-清除
算法。
回收后：
[A][空][B][空][C]
出现大量碎片。
导致：
明明还有空间
却分配失败
触发：
Full GC
缺陷2：浮动垃圾
CMS并发期间：
用户线程仍在运行。
例如：
CMS开始标记
同时：
new User()
创建对象。
这些对象：
本轮GC来不及处理
只能下轮处理。
称为：
Floating Garbage
浮动垃圾
缺陷3：CPU消耗高
CMS：
GC线程
+
业务线程
同时竞争CPU。
CPU紧张时：
系统性能下降
十三、CMS 为什么被淘汰？
JDK9：
CMS废弃。
JDK14：
CMS删除。
官方推荐：
G1
替代。
十四、G1（Garbage First）
G1 是目前最重要的GC。
JDK9开始：
默认GC
就是 G1。
开启：
-XX:+UseG1GC
十五、G1 最大创新
以前堆结构：
Young
─────
Old
固定划分。
G1：
彻底改变。
堆被切分为：
Region
区域。
结构：
┌──┬──┬──┬──┐
│R1│R2│R3│R4│
├──┼──┼──┼──┤
│R5│R6│R7│R8│
├──┼──┼──┼──┤
│R9│R10│R11│R12│
└──┴──┴──┴──┘
十六、Region 的好处
传统GC：
回收整个年轻代
G1：
优先回收垃圾最多Region
因此叫：
Garbage First
十七、G1 工作流程
主要阶段：
初始标记
并发标记
最终标记
筛选回收
大部分时间：
并发执行
停顿时间明显降低。
十八、G1 为什么成为默认GC？
因为平衡。
Serial：
简单
Parallel：
吞吐量高
CMS：
延迟低
G1：
吞吐量不错
停顿时间较短
支持大堆
综合能力最强。
十九、G1 重要参数
控制停顿时间：
-XX:MaxGCPauseMillis=200
意思：
目标停顿时间
200ms
注意：
不是保证
只是尽量达到。
二十、ZGC 登场
G1已经很好。
但互联网业务越来越大。
例如：
100GB堆
200GB堆
500GB堆
G1停顿仍然可能：
几十毫秒
上百毫秒
于是：
ZGC
诞生。
二十一、ZGC 的目标
核心目标：
停顿时间
< 1ms
并且：
堆大小无关
例如：
8GB堆
停顿1ms
128GB堆
停顿依然约1ms
二十二、ZGC 核心技术
传统GC：
移动对象
↓
更新引用
↓
STW
ZGC：
使用：
Colored Pointer
染色指针
技术。
指针携带额外信息：
是否标记
是否转移
是否重定位
因此：
大部分工作并发完成
二十三、读屏障（Load Barrier）
ZGC核心武器。
访问对象时：
user.getName();
JVM先检查：
对象是否迁移
如果迁移：
自动修正引用
用户线程无感知。
二十四、ZGC 特点
优点：
超低延迟
停顿极短
适合超大堆
缺点：
CPU消耗略高
版本要求较高
适用：
金融
交易系统
实时系统
超大内存服务
二十五、各GC对比
| 收集器 | STW | 并发 | 吞吐量 | 延迟 | 状态 |
|---|---|---|---|---|---|
| Serial | 高 | 否 | 低 | 高 | 存活 |
| Parallel | 高 | 否 | 高 | 高 | 存活 |
| CMS | 低 | 是 | 中 | 低 | 已淘汰 |
| G1 | 较低 | 部分 | 高 | 较低 | 默认 |
| ZGC | 极低 | 是 | 高 | 极低 | 推荐 |
二十六、生产环境怎么选？
小型项目
2G以内堆
推荐：
G1
普通互联网系统
4G~32G堆
推荐：
G1
高并发交易系统
低延迟要求
推荐：
ZGC
大数据批处理
吞吐量优先
推荐：
Parallel GC
二十七、面试高频题
CMS 为什么被淘汰？
因为：
内存碎片
浮动垃圾
CPU消耗高
G1 为什么成为默认GC？
因为：
吞吐量和延迟平衡最好
ZGC 为什么停顿时间这么短？
因为：
Colored Pointer
Load Barrier
大量并发处理
G1 和 CMS 最大区别？
CMS：
基于Old区
G1：
基于Region
能够全堆管理。
本章总结
记住 JVM 垃圾收集器演进路线：
Serial
│
▼
Parallel
│
▼
CMS
│
▼
G1
│
▼
ZGC
对应的发展目标：
单线程
↓
多线程
↓
并发回收
↓
区域化管理
↓
毫秒级停顿
掌握这一章后，你已经理解 JVM 垃圾回收体系的整体架构。
下一章《JVM 调优实战：GC日志分析、内存溢出排查与线上问题定位》将进入真正的生产环境内容，包括：
- OOM 排查完整流程
- jps、jstat、jmap、jstack 使用
- Heap Dump 分析
- MAT 工具实战
- GC 日志分析
- 线上 Full GC 排查案例
这是从“懂 JVM”到“会用 JVM”的关键一步。
