垃圾回收的演进史：从传统 GC 到 ZGC/Shenandoah

在程序设计的世界里，“内存”是绕不开的核心命题。早期程序员需手动管理内存分配与释放，一个疏忽就可能导致内存泄漏或野指针，轻则程序崩溃，重则引发系统故障。垃圾回收（Garbage Collection，简称 GC）技术的出现，彻底改变了这一局面——它让程序自动识别并回收不再使用的内存资源，将开发者从繁琐的内存管理中解放出来。从最初的标记-清除算法到如今的 ZGC、Shenandoah 等低延迟 GC，这项技术的演进始终围绕着“性能”与“效率”的核心诉求，见证了计算领域对更高并发、更低延迟的不懈追求。

一、传统 GC：奠定基础，却困于性能瓶颈

传统 GC 技术的发展始于 20 世纪 60 年代，其核心目标是解决“内存自动回收”的基本问题。这一阶段的技术虽实现了自动化管理，但在并发性能和延迟控制上存在明显短板，难以满足现代高并发应用的需求。

1.1 标记-清除：GC 技术的“开山之作”

标记-清除（Mark-Sweep）算法是最早成熟的 GC 算法，由约翰·麦卡锡于 1960 年提出，至今仍在部分场景中应用。其核心逻辑分为两步：标记阶段遍历所有存活对象并做标记，清除阶段回收未被标记的垃圾对象。

作为 GC 技术的基石，标记-清除算法的优势在于实现简单、无需移动对象。但它的缺陷也十分突出：一是“内存碎片”问题——回收后的内存呈分散状态，当需要分配大对象时，即便总空闲内存足够，也可能因无法找到连续内存块而触发 GC；二是“Stop-The-World（STW）”停顿——标记和清除过程需暂停所有应用线程，内存越大，停顿时间越长，这在早期小型程序中影响不明显，但在大型应用中会直接导致程序响应迟缓。

1.2 标记-复制：用空间换时间的优化

为解决标记-清除的内存碎片问题，标记-复制（Mark-Copy）算法应运而生。它将内存划分为大小相等的两个区域：“From 空间”和“To 空间”。程序仅在 From 空间分配内存，GC 时标记存活对象并复制到 To 空间，随后清空 From 空间，最后交换两个空间的角色。

这种算法的核心优势是彻底消除了内存碎片，且清除过程高效——只需直接清空整个 From 空间。但代价是“空间浪费”：始终有一半内存处于闲置状态，对于内存资源紧张的场景极不友好。此外，复制大量存活对象时仍会产生较长的 STW 停顿，不适用于存活对象较多的老年代内存区域。

1.3 标记-整理：平衡碎片与空间的折中方案

针对标记-清除的碎片问题和标记-复制的空间浪费问题，标记-整理（Mark-Compact）算法实现了折中。它的标记阶段与标记-清除一致，核心差异在后续步骤：清除阶段并非直接回收垃圾对象，而是将所有存活对象向内存一端移动，随后清除边界外的所有垃圾。

标记-整理算法既解决了内存碎片问题，又避免了标记-复制的空间浪费，适用于对象存活率高的老年代。但它的缺陷也很明显：对象移动过程中需要更新所有引用指向，操作复杂且耗时，STW 停顿时间往往比前两种算法更长，在高并发场景下难以接受。

1.4 分代回收：基于对象生命周期的优化范式

随着应用规模扩大，单一 GC 算法已无法兼顾各阶段内存的需求。基于“对象生命周期分化”的规律——大部分对象存活时间短（如局部变量），少数对象存活时间长（如缓存数据），分代回收（Generational GC）成为传统 GC 的主流范式。

以 Java 的 HotSpot 虚拟机为例，分代回收将内存划分为新生代和老年代：新生代采用标记-复制算法，利用对象“朝生夕死”的特点，仅复制少量存活对象即可完成回收，STW 停顿短；老年代采用标记-清除或标记-整理算法，应对存活时间长的对象，减少回收频率。此外，部分虚拟机还引入永久代（或元空间）存储类信息等静态数据。

分代回收在一定程度上优化了 GC 性能，但并未彻底解决 STW 问题。当老年代内存满触发“Full GC”时，仍需对整个堆内存进行扫描和整理，产生的长时间停顿成为高并发应用的“性能杀手”——例如，在金融交易、实时通信等场景中，数百毫秒甚至秒级的停顿可能直接导致业务中断。

二、现代 GC 的破局：以低延迟为核心的技术革命

进入 21 世纪，随着大数据、微服务等技术的兴起，应用对“低延迟”和“大内存”的需求日益迫切。传统 GC 的 STW 停顿问题愈发突出，推动 GC 技术从“优化停顿时间”向“消除长停顿”演进。ZGC（Z Garbage Collector）和 Shenandoah 正是这一革命的代表——它们以“亚毫秒级停顿”为目标，通过创新的算法设计，实现了 GC 与应用线程的高度并发。

2.1 核心突破：从“串行/并行”到“并发”的范式转变

传统 GC 的 STW 问题根源在于“标记、清理、移动”等核心步骤需独占内存资源，无法与应用线程并行执行。而 ZGC 和 Shenandoah 的核心突破在于将 GC 操作与应用线程的冲突降至最低，仅在关键步骤保留极短的 STW 停顿，大部分工作在应用线程运行的同时完成。

实现这一突破的关键技术包括“着色指针”“读屏障”和“并发整理”，这些技术彻底改变了 GC 与应用线程的交互方式，为大内存场景下的低延迟提供了可能。

2.2 ZGC：甲骨文的“毫秒级停顿”利器

ZGC 是 Oracle 为 OpenJDK 开发的新一代 GC，首次发布于 JDK 11，目标是“支持 TB 级内存、GC 停顿不超过 10 毫秒”。它的核心设计围绕“着色指针”和“读屏障”展开，实现了高效的并发标记与整理。

着色指针是 ZGC 的标志性技术。它利用 64 位地址空间的冗余位（如第 42-47 位）存储对象的“标记状态”，无需额外内存空间记录标记信息。当应用线程访问对象时，通过“读屏障”检查指针的着色状态，若处于 GC 标记阶段，自动协助完成标记工作，实现了 GC 与应用线程的协同标记。

在内存整理阶段，ZGC 采用“并发重定位”技术。它先标记需要移动的对象，然后在应用线程访问这些对象时，通过读屏障将指针“原子性更新”到新地址，同时异步完成对象的移动。整个过程中，仅在初始标记和最终标记阶段存在极短的 STW 停顿，其余步骤完全与应用线程并行。

ZGC 的优势不仅在于低延迟，还在于对大内存的高效支持。它采用“区域化内存管理”，将堆内存划分为多个大小可变的区域（Region），可根据内存使用情况动态创建或销毁区域，避免了对整个堆的扫描，大幅提升了大内存场景下的 GC 效率。

2.3 Shenandoah：红帽主导的“无停顿”GC

Shenandoah 由红帽公司主导开发，首次集成于 JDK 12（作为实验性特性），JDK 17 中成为正式特性。它的核心目标与 ZGC 一致——实现低延迟垃圾回收，但在技术实现上采用了不同的路径，核心是“连接指针”和“写屏障”。

Shenandoah 采用“连接指针”（Forwarding Pointer）记录对象的新地址，当对象需要移动时，先在原对象头部设置连接指针指向新地址，然后异步完成对象的复制。应用线程访问对象时，通过“写屏障”检查连接指针，若对象已移动，自动跳转至新地址，避免了指针失效问题。

与 ZGC 相比，Shenandoah 的特点是“全并发整理”——不仅标记过程并发，内存整理的整个过程也无需 STW 停顿。它通过“增量更新”和“最终标记”机制确保标记的准确性，同时利用“并行引用处理”优化引用链的处理效率。此外，Shenandoah 对内存大小的适应性更强，从几百 MB 到 TB 级内存均可高效运行，且对硬件资源的消耗相对较低。

在实际应用中，Shenandoah 更注重“普适性”，能在不同硬件配置和应用场景下保持稳定的低延迟表现，尤其在云原生环境中，其轻量级的设计使其成为微服务应用的理想选择。

三、演进背后的核心逻辑：需求驱动与技术迭代

从传统 GC 到 ZGC/Shenandoah，垃圾回收技术的演进并非孤立的技术创新，而是“应用需求”与“硬件发展”双轮驱动的结果。

一方面，应用场景的升级推动 GC 向低延迟演进。早期程序多为单机、低并发场景，百毫秒级的 STW 停顿可被接受；而如今的金融交易、实时推荐、自动驾驶等场景，对延迟的要求已降至毫秒甚至亚毫秒级，传统 GC 的性能瓶颈成为不可逾越的障碍。ZGC 和 Shenandoah 的出现，正是为了满足这些极端场景的需求。

另一方面，硬件的发展为 GC 技术提供了支撑。64 位处理器的普及让“着色指针”等技术成为可能，大内存硬件（如 TB 级服务器内存）的出现则要求 GC 技术突破对内存规模的限制。同时，多核心 CPU 的发展也为并发 GC 提供了硬件基础——GC 线程与应用线程可在不同核心上并行运行，避免了资源竞争导致的性能损耗。

四、未来展望：GC 技术的下一个方向

随着计算技术的持续发展，GC 技术仍在不断演进。未来，垃圾回收技术可能向以下几个方向突破：

一是“智能化 GC”。通过机器学习算法分析应用的内存使用模式，动态调整 GC 策略（如区域大小、回收时机），实现“按需优化”，进一步降低延迟并提升资源利用率。

二是“分布式 GC”。在分布式系统中，跨节点的内存资源管理成为新的挑战，未来可能出现支持分布式场景的 GC 技术，实现多节点内存的协同回收与优化。

三是“低功耗 GC”。在移动端、物联网设备等场景中，功耗是核心诉求，未来 GC 技术将在低延迟的同时，进一步优化功耗，适应嵌入式设备的需求。

结语

垃圾回收技术的演进史，是一部“解放开发者、优化系统性能”的历史。从标记-清除的简陋实现，到分代回收的精细优化，再到 ZGC、Shenandoah 的低延迟革命，每一次技术突破都源于对“更好性能”的追求。在计算技术日益复杂的今天，GC 技术仍将是核心技术之一，它的发展将持续为高并发、低延迟应用提供坚实的支撑，推动程序设计领域不断向前。