CMS、G1 和 ZGC 垃圾回收器对比

以下是关于 CMS 、G1 和 ZGC 三种垃圾回收器的详细对比分析，涵盖适用场景、优势、劣势等方面。

一、CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器

1️⃣ 工作机制

• 初始标记 ：标记 GC Roots，短暂停顿。
• 并发标记 ：遍历对象图，标记可达对象。
• 重新标记 ：修复并发标记期间发生的对象引用变化（短暂停顿）。
• 并发清理 ：清理垃圾对象。
• 并发重置 ：重置本次GC过程中的标记数据。

2️⃣ 优点

• 低延迟 ：非常适合需要低延迟的应用场景，例如响应时间敏感的交互式应用。
• 并发收集 ：并发标记和并发清理阶段可以和业务线程同时运行，减少停顿时间。

3️⃣ 缺点

• 内存碎片 ：清理过程中不整理内存，容易导致内存碎片问题，可能引发 Full GC 。
• 单线程清理 ：并发清理阶段可能效率较低。
• 高 CPU 开销 ：需要与业务线程抢占 CPU 资源。
• 浮动垃圾 ：无法处理浮动垃圾（在并发标记和并发清理阶段又产生垃圾，这种浮动垃圾只能等到下一次gc再清理了）
• 回收滞后触发Full GC停顿 ：执行过程过程中的不确定性，会存上上一次垃圾回收还没执行完，然后垃圾回收又被触发的情况，特别是在并发标记和并发清理阶段会出现，一边回收，系统一边运行，也许没回收完就再次触发full gc,也就是"concurrent model failure",此时会进入stop the world,用serial old垃圾收集器来回收

4️⃣ 适用场景

• 适用于低延迟需求的应用，例如 Web 服务、交易系统。

二、G1（Garbage-First）垃圾回收器

1️⃣ 工作机制

• 基于分区（Region）的回收策略，分区大小可调（通常 1MB～32MB）。
• G1 主要通过：

• 初始标记 ：标记 GC Roots，可达对象。
• 并发标记 ：扫描整个堆，标记可回收对象。
• 最终标记 ：修复并发标记期间发生的对象变化。
• 筛选回收 ：根据分区的垃圾比例优先回收高收益区域。

2️⃣ 优点

• 并行与并发 ：G1能充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU(CPU或者核心)来缩短Stop-The-World停顿时间。部分其他收集器需要停顿Java线程来执行GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让java程序继续执行
• 分代收集：虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但还是保留了分代的概念。
• 空间整合：与CMS的“标记-整理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记整理”算法算法实现的收集器；从局部上来来看是基于"标记整理"算法来实现的收集器；从局部上来看是基于“复制”算法实现的。
• 可预测停顿时间 ：可以通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置目标停顿时间。
• 高吞吐量 ：分区化管理内存，提高内存利用率。

3️⃣ 缺点

• 配置复杂 ：需要较多的调优工作以达到最佳性能。
• 吞吐量略低 ：相比 Parallel GC，在高吞吐量场景稍逊。

4️⃣ 适用场景

• 内存管理复杂且需要低延迟的场景，例如实时分析系统、大型 Java 应用。
• 50%以上的堆被存活对象占用
• 对象分配和晋升的速度变化非常大
• 垃圾回收时间特别长，超过1秒
• 8GB以上的堆内存（建议值）
• 停顿时间是500ms以内

三、ZGC（Z Garbage Collector）

1️⃣ 工作机制

• 基于Region内存布局
• 暂时不分代
• 以 低延迟 为目标，设计为 完全并发 的垃圾回收器。
• 支持超大堆（最高 16TB），采用 读屏障和颜色指针技术来实现可并发的标记-整理算法。
• ZGC通过:

• 并发标记：与G1一样，并发标记是遍历对象图做可达性分析的阶段，它的初始标记（Mark Start）和最终标记(Mark End)也会出现短暂的停顿，与G1不同的是，ZGC的标记是在指针上而不是在对象上进行的，标记阶段会更新颜色指针中的Marked 0、Marked 1标记位。
• 并发预备重分配：这个阶段要根据特定的查询条件统计得出本次收集过程要清理哪些Region，将这些Region组成重分配集(Relocation Set)。ZGC每次回收都会扫描所有的Region，用范围更大的扫描成本换取省去G1中记忆集的维护成本。
• 并发重分配：重分配是ZGC执行过程中的核心阶段，这个过程要把重分配的存活对象复制到新的Region上，并为重分配集中的每个Region维护一个转发表(Forward Table),记录从旧对象到新对象的转向关系。ZGC收集器能仅从引用上就明确得知一个对象是否处于重分配集之中，如果用户线程并发访问了位于重分配集中的对象，这次访问将会被预置的内存屏障（读屏障）所截获，然后立即根据Region上转发表记录将访问转发到新复制的对象上，并同时修正更新该引用的值，使其直接指向新对象，ZGC将这种行为称为指针的治愈(Self-Healing)能力。
• 并发重映射：重映射所做的就是修正整个堆中指向重分配集中旧对象的所有引用，但是ZGC中对象引用存在“自愈”功能，所以这个重映射操作并不很迫切。ZGC很巧妙地把并发重映射阶段要做的工作，合并到下一次垃圾收集循环中的并发标记阶段里去完成，反正它们都是要遍历所有对象的，这样合并就节省了一次遍历对象图的开销。一旦所有指针都被修正之后，原来记录新旧对象关系的转发表就可以释放掉了。

2️⃣ 优点

• 极低停顿时间 ：单次停顿通常不超过 10ms。
• 大堆支持 ：针对超大内存的应用进行了优化。
• 无内存碎片 ：通过并发整理内存，保持内存连续性。

3️⃣ 缺点

• 相对较高的 CPU 开销 ：需要额外的 CPU 资源处理读屏障。
• 浮动垃圾
• 新生代管理能力稍弱 ：相比 G1，处理短生命周期对象略显不足。
• 较高的 JVM 版本要求 ：需要 Java 11+。

4️⃣ 适用场景

• 超大堆应用（如 8GB+ 内存）。
• 低延迟要求非常高的场景，例如金融交易系统、在线游戏。

四、对比总结