Java 垃圾收集器：CMS、G1、ZGC 详解

最新推荐文章于 2025-03-04 19:13:53 发布

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Java 垃圾收集器：CMS、G1、ZGC 详解

一、引言

在 Java 程序运行过程中，会不断地创建对象，随着对象数量的增加，内存会逐渐被占用。为了保证程序的正常运行，需要及时回收不再使用的对象所占用的内存，这就是垃圾收集（Garbage Collection，简称 GC）的工作。Java 提供了多种垃圾收集器，每种收集器都有其特点和适用场景。本文将详细介绍 CMS、G1 和 ZGC 这三种重要的垃圾收集器。

二、CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

2.1 概述

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，它非常适合注重响应时间的应用程序，如 Web 应用。CMS 收集器基于“标记 - 清除”算法实现，整个过程大致分为四个步骤：

2.2 工作流程

初始标记（Initial Mark）：这一步会暂停所有的用户线程（Stop The World，简称 STW），标记出所有直接与根对象关联的对象。由于只是标记根对象的直接关联对象，所以速度很快。
并发标记（Concurrent Mark）：在这一阶段，收集器会与用户线程并发执行，从初始标记阶段标记的对象开始，遍历整个对象图，标记出所有可达的对象。由于是并发执行，所以不会影响用户线程的正常运行，但会占用一部分 CPU 资源。
重新标记（Remark）：由于在并发标记阶段，用户线程还在运行，可能会导致一些对象的引用关系发生变化，所以需要再次暂停用户线程，对之前标记的对象进行修正，确保标记的准确性。这一步的停顿时间通常比初始标记稍长。
并发清除（Concurrent Sweep）：这一阶段，收集器会与用户线程并发执行，清除那些没有被标记的对象，释放其所占用的内存。

2.3 优缺点

优点：并发收集、低停顿，能够在较短的时间内完成垃圾收集，对用户线程的影响较小，适合对响应时间要求较高的应用。
缺点：
- 对 CPU 资源敏感，因为在并发标记和并发清除阶段需要占用一部分 CPU 资源，可能会导致应用程序的性能下降。
- 无法处理浮动垃圾（Floating Garbage），即在并发标记和并发清除阶段产生的新垃圾，这些垃圾只能留到下一次垃圾收集时处理。
- 采用“标记 - 清除”算法，会产生大量的内存碎片，可能会导致大对象无法分配足够的连续内存空间，从而提前触发 Full GC。

2.4 开启参数

在 JVM 中，可以使用 -XX:+UseConcMarkSweepGC 参数来开启 CMS 收集器。

三、G1（Garbage-First）收集器

3.1 概述

G1 收集器是一种面向服务端应用的垃圾收集器，它在 JDK 7u4 及以上版本中被正式引入。G1 收集器的设计目标是在满足高吞吐量的同时，尽可能地降低垃圾收集的停顿时间。与传统的收集器将堆划分为新生代和老年代不同，G1 收集器将堆划分为多个大小相等的 Region，每个 Region 可以是 Eden 区、Survivor 区或老年代。

3.2 工作流程

初始标记（Initial Mark）：与 CMS 收集器类似，这一步会暂停所有的用户线程，标记出所有直接与根对象关联的对象。
并发标记（Concurrent Marking）：收集器与用户线程并发执行，遍历整个堆中的对象图，标记出所有可达的对象。在这个过程中，G1 收集器会记录每个 Region 中对象的存活情况。
最终标记（Final Marking）：暂停用户线程，修正并发标记阶段由于用户线程的操作而导致的对象引用关系的变化。
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：根据每个 Region 中对象的存活情况和回收成本，对各个 Region 进行排序，优先回收那些回收成本低、垃圾对象多的 Region。这一步会将存活的对象复制到其他空闲的 Region 中，然后清空当前 Region。

3.3 优缺点

优点：
- 并行与并发：G1 收集器可以利用多 CPU 进行并行垃圾收集，同时在部分阶段与用户线程并发执行，减少了停顿时间。
- 分代收集：虽然 G1 收集器不再严格区分新生代和老年代，但它仍然保留了分代的概念，能够根据对象的存活时间进行不同的处理。
- 空间整合：G1 收集器采用“标记 - 整理”算法，在回收垃圾的同时会对存活的对象进行移动和整理，避免了内存碎片的产生。
- 可预测的停顿时间：G1 收集器可以根据用户指定的停顿时间目标，动态地调整收集的 Region 数量和回收策略，从而实现可预测的停顿时间。
缺点：相比于其他收集器，G1 收集器的内存占用和 CPU 开销相对较高。

3.4 开启参数

在 JVM 中，可以使用 -XX:+UseG1GC 参数来开启 G1 收集器。

四、ZGC（Z Garbage Collector）

4.1 概述

ZGC 是 JDK 11 中引入的一款可扩展的低延迟垃圾收集器，它的设计目标是在处理大内存（数 TB 级别）时，能够将停顿时间控制在 10 毫秒以内。ZGC 收集器采用了染色指针（Colored Pointers）和读屏障（Load Barriers）等技术，实现了高效的并发垃圾收集。

4.2 工作流程

并发标记（Concurrent Mark）：与 G1 收集器类似，ZGC 在并发标记阶段会与用户线程并发执行，遍历整个堆中的对象图，标记出所有可达的对象。在这个过程中，ZGC 会使用染色指针来记录对象的标记信息。
并发预备重分配（Concurrent Prepare for Relocate）：这一阶段，ZGC 会根据标记结果，确定哪些 Region 需要进行重分配，并为这些 Region 分配新的内存空间。
并发重分配（Concurrent Relocate）：ZGC 会将存活的对象从旧的 Region 复制到新的 Region 中，同时更新引用这些对象的指针。在这个过程中，ZGC 会使用读屏障来确保用户线程能够正确访问对象。
并发重映射（Concurrent Remap）：重分配阶段只是更新了部分对象的引用指针，在并发重映射阶段，ZGC 会将所有指向旧 Region 的指针更新为指向新 Region 的指针，完成整个重分配过程。

3.3 优缺点

优点：
- 极低的停顿时间：ZGC 收集器通过并发执行和染色指针、读屏障等技术，将停顿时间控制在非常短的范围内，几乎不会对应用程序的响应时间产生影响。
- 可扩展性：ZGC 收集器能够处理非常大的堆内存（数 TB 级别），并且随着堆内存的增大，停顿时间不会显著增加。
- 高效的内存使用：ZGC 收集器采用“标记 - 整理”算法，避免了内存碎片的产生，提高了内存的利用率。
缺点：目前 ZGC 收集器的吞吐量相对较低，在某些对吞吐量要求较高的场景下可能不是最优选择。

3.4 开启参数

在 JVM 中，可以使用 -XX:+UseZGC 参数来开启 ZGC 收集器。

五、总结

CMS、G1 和 ZGC 是 Java 中三种重要的垃圾收集器，它们各自有着不同的特点和适用场景。CMS 收集器以低停顿为目标，适合对响应时间要求较高的应用；G1 收集器在高吞吐量和低停顿之间取得了较好的平衡，适用于大多数服务端应用；ZGC 收集器则专注于实现极低的停顿时间，能够处理大内存场景，但吞吐量相对较低。在实际应用中，需要根据应用的特点和需求选择合适的垃圾收集器。