垃圾收集器 G1 与 ZGC
JVM 系列 · 第 8/12 篇
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开头：从固定分代到 Region，再到亚毫秒级停顿
ParNew + CMS 适合许多 4–8G 堆的低延迟 Web 场景；当堆 更大、停顿要求 更严 时，G1 与 ZGC 成为 JDK 9+ 的主流选择。本文讲清二者原理、参数与典型场景。
一、G1 收集器（-XX:+UseG1GC）
G1（Garbage-First） 面向 多核 + 大内存 服务端：在极高概率满足 停顿时间目标 的同时保持高吞吐。
1.1 Region 化堆布局
- 堆划分为多个大小相等的 Region（最多 2048 个）
- 默认 Region 大小 = 堆大小 / 2048（如 4096M 堆 → 约 2M/Region），可用
-XX:G1HeapRegionSize指定（1–32MB，2 的幂） - 逻辑上 仍有年轻代/老年代，但 物理上 都是 Region 集合，可 不连续，角色可 动态变化
年轻代：默认约占堆 5%（-XX:G1NewSizePercent），运行中可扩至 -XX:G1MaxNewSizePercent（默认 60%）。Eden : Survivor 仍约 8:1:1。
Humongous：超过 Region 50% 的对象进 Humongous Region（可跨多个 Region），避免直接进老年代占满导致 GC；Full GC 时一并回收。
1.2 一次 G1 GC 的主要阶段
| 阶段 | STW | 说明 |
|---|---|---|
| 初始标记 | 是 | 标记 GC Roots 直接关联对象 |
| 并发标记 | 否 | 同 CMS |
| 最终标记（Remark） | 是 | 同 CMS 重新标记，SATB |
| 筛选回收（Cleanup） | 是 | 按 回收价值/成本 排序，在 -XX:MaxGCPauseMillis 预算内选 Region 集合（CSet）回收；复制算法，碎片少 |
G1 维护 优先级列表，优先回收 单位时间收益最大 的 Region（Garbage-First 得名）。筛选阶段暂 未 与用户线程并发回收（Shenandoah 进一步并发）。
1.3 G1 特点（小结）
- 并行与并发：多 CPU 缩短 STW；部分阶段并发
- 分代概念保留：独立管理整堆
- 空间整合：整体标记-整理，局部复制
- 可预测停顿：
-XX:MaxGCPauseMillis（默认 200ms）——需 realistic，设过低（如 20ms）可能导致 CSet 过小、回收跟不上分配、最终 Full GC
1.4 G1 垃圾收集分类
| 类型 | 触发 | 说明 |
|---|---|---|
| Young GC | Eden 将满且预估回收时间接近 MaxGCPauseMillis | 并非 Eden 一满就 GC，可能先扩年轻代 Region |
| Mixed GC | 老年代达 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent（默认 45%） | 回收全部 Young + 部分 Old + Humongous |
| Full GC | Mixed 复制时无足够空 Region 等 | 单线程标记-整理-压缩，耗时长 |
1.5 G1 常用参数
| 参数 | 说明 |
|---|---|
-XX:+UseG1GC | 启用 G1 |
-XX:G1HeapRegionSize | Region 大小 |
-XX:MaxGCPauseMillis | 目标停顿（默认 200ms） |
-XX:G1NewSizePercent / G1MaxNewSizePercent | 新生代占比上下限 |
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent | Mixed GC 触发阈值（默认 45%） |
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent | Region 存活低于此才回收（默认 85%） |
-XX:G1MixedGCCountTarget | 一次 Mixed 分几次筛选回收（默认 8） |
-XX:G1HeapWastePercent | 空 Region 达堆 5% 则结束本次 Mixed |
1.6 调优建议
若 MaxGCPauseMillis 过大，年轻代可能占到堆 60% 才 Young GC → Survivor 放不下 → 快速进老年代 → 频繁 Mixed GC。
核心：在「别太频繁 Young GC」与「单次 GC 后存活对象别太多」之间平衡 MaxGCPauseMillis。
1.7 适用场景
- 存活对象占堆 50%+
- 分配/晋升速率变化大
- GC 停顿 >1s 不可接受
- 堆 ≥8G（经验值）
- 目标停顿 500ms 内
1.8 案例：Kafka 级高并发与大 Eden
Kafka 等消息系统常部署 64G 机器，年轻代可达 三四十 G。Eden 极大时，一次 Young GC 也要 数秒；若 1–2 分钟 就满 Eden，系统会周期性卡顿。
思路：G1 + -XX:MaxGCPauseMillis=50——若 50ms 能回收 3–4G，用户几乎无感，边处理消息边收集。
G1 天生适合大内存、可控停顿，是此类场景的首选之一。
二、ZGC 收集器（-XX:+UseZGC）
ZGC 在 JDK 11 引入（实验性），源于 Azul C4，面向 超低延迟。
2.1 设计目标
| 目标 | 说明 |
|---|---|
| 支持 TB 级 堆 | 满足未来超大堆需求 |
| 最大停顿 <10ms | 停顿与 Root 扫描相关，与堆大小 几乎无关 |
| 吞吐量损失 | 最坏约 15%（读屏障等开销） |
| 停顿不随堆增大而增长 | 几十 G 与几百 G 均可亚 10ms 级 |
2.2 暂不分代
ZGC 当前 单代 设计——分代实现复杂，作者先做单代可用版；「朝生夕死」假设下，全堆扫描对短生命周期对象不够友好，带来 浮动垃圾 问题（后述）。
2.3 Region 与 NUMA
基于 Region，容量分三类：
| 类型 | 容量 | 对象 |
|---|---|---|
| Small | 2MB | <256KB |
| Medium | 32MB | 256KB–4MB |
| Large | 2MB 整数倍，动态 | ≥4MB，每 Region 一个大对象，不重分配 |
NUMA-aware：各 CPU 优先访问本地内存，ZGC 可感知 NUMA，降低跨节点访问延迟。
2.4 colored pointers（颜色指针）
GC 信息存在 指针 而非对象头。64 位指针划分（概念上）：
- 18 位：预留
- 4 位：Finalizable / Remapped / Marked1 / Marked0
- 42 位：对象地址（支持 4T；JDK 13+ 扩至 16T，受 48 位地址总线限制）
每轮 GC 交换 Mark 位，使上轮标记失效。ZGC 需 64 位、不支持压缩指针（CompressedOops）。
优势：Region 移走存活对象后可 立即释放；读屏障少；可扩展记录重定位等元数据。
2.5 读屏障（Load Barrier）
以往 GC 多用 写屏障；ZGC 在 从堆读引用 时加 读屏障：若对象已被移动，则 自愈（Self-Healing）——通过转发表更新指针到新地址。类似 CAS 自旋发现值失效需重读。
Object o = obj.fieldA; // 可能触发读屏障
Object p = o; // 非堆读，无屏障
o.doSomething(); // 非读引用
int x = obj.fieldB; // 基本类型，无屏障官方测试读屏障约 +4% 吞吐开销。
2.6 ZGC 运作阶段
- 并发标记：在指针上标记 Marked0/1（有短暂初始/最终标记 STW）
- 并发预备重分配：统计待清理 Region，组成 重分配集（Relocation Set）——全堆扫描 Region，换省去 G1 式记忆集维护
- 并发重分配：复制存活对象，维护 转发表；用户经读屏障访问旧地址时转发并修正引用
- 并发重映射：修正全堆指向旧对象的引用；因 自愈，可合并到 下一轮并发标记，省一次遍历
2.7 浮动垃圾与局限
ZGC 全程可能 10 分钟 级，期间大量新对象只能下次 GC 回收 → 浮动垃圾。无分代时短生命周期对象不能及时清理。
缓解：增大堆换喘息时间；根本方案是引入 分代 ZGC（JDK 后续版本演进方向）。
2.8 启用与触发
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC # JDK 11–15 等需 experimental调参项少，主要靠 JVM 自适应。触发机制包括：定时、预热（10%/20%/30% 堆）、分配速率、主动（距上次 GC 堆增 10% 或超 5 分钟等）。
三、如何选择垃圾收集器
经验法则（需结合压测）：
| 场景 | 建议 |
|---|---|
| 优先让 JVM 自选 | 小堆、无特殊 SLA |
| 堆 <100M | Serial |
| 单核、可 STW | Serial 或默认 |
| 停顿可 >1s | Parallel |
| 响应优先、停顿 <1s | 并发收集器 |
| 4G 以下 | Parallel |
| 4–8G | ParNew + CMS |
| 8G 以上 | G1 |
| 数百 G | ZGC |
- JDK 8 默认：Parallel Scavenge + Parallel Old
- JDK 9+ 默认：G1
四、安全点与安全区域
GC 等操作需线程处于 确定状态，不能随意暂停。线程运行到 安全点（Safepoint） 时状态确定，JVM 可安全 STW。常见位置：方法返回/调用后、异常抛出处、循环末尾 等。实现上设置标志位，线程 主动轮询 并在安全点挂起。
若线程 Sleep 或 blocked，无法跑到 Safepoint → 引入 安全区域（Safe Region）：一段代码内引用关系不变，在此区域内任意位置开始 GC 都安全。
五、小结
| 收集器 | 核心 | 适用 |
|---|---|---|
| G1 | Region、可预测停顿、Mixed GC、SATB | 8G+、停顿敏感服务端 |
| ZGC | 颜色指针、读屏障、并发重分配 | 超大堆、亚 10ms 停顿 |