JVM 垃圾网络器详解：CMS、G1 和 ZGC

垃圾采取（Garbage Collection, GC）是 Java 捏造机（JVM）中一个至关紧张的部分，尤其是在面临差异的业务场景时，选择符合的垃圾网络器（Garbage Collector, GC）对于优化 GC 性能至关紧张。本文将详细先容 JVM 中两大类垃圾网络器：分代网络器和分区网络器，并重点分析 CMS、G1 和 ZGC 这三种垃圾网络器的工作原理、优缺点及实在用场景。
1 分代网络器

1.1 CMS（Concurrent Mark Sweep）

1.1.1 概述

CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾网络器是 JDK 1.5 引入的，旨在通过并发实行垃圾采取来镌汰 GC 停顿时间（Stop-The-World, STW）。它是第一个专注于镌汰 GC 停顿时间的垃圾网络器，之前的垃圾网络器要么是串行的，要么只关注体系吞吐量。CMS 采取“标志-打扫”算法，其垃圾采取过程分为四个步调：

• 初始标志（Initial Mark）
  
• 并发标志（Concurrent Mark）
  
• 重新标志（Remark）
  
• 并发打扫（Concurrent Sweep）
  

1.1.2 工作原理

• 初始标志（Initial Mark）
  

初始标志阶段的重要使命是标志全部从 GC Roots 直接可达的对象。这个阶段须要 STW，但由于只标志 GC Roots 直接关联的对象，因此速率非常快。

• 并发标志（Concurrent Mark）
  

并发标志阶段从初始标志的对象开始，遍历整个引用链，标志全部可达的对象。这个阶段不须要 STW，垃圾采取线程与用户线程并发实行。固然并发标志可以大概显着低沉停顿时间，但也带来了一些题目，比方引用厘革大概导致漏标（本应采取的垃圾未被采取）或多标（不应采取的垃圾被采取）。

• 重新标志（Remark）
  

重新标志阶段的重要使命是对并发标志阶段出现的题目举行校正。由于并发标志阶段大概发生引用厘革，因此须要 STW 来修正标志错误，确保垃圾采取的正确性。

• 并发打扫（Concurrent Sweep）
  

并发打扫阶段将标志为垃圾的对象举行打扫。这个阶段不须要 STW，垃圾采取线程与用户线程可以并发实行，因此不会影响体系的相应时间。
1.1.3 优缺点

长处

• 并发网络：垃圾采取线程与用户线程并发实行，显着低沉了停顿时间。
  
• 低停顿：实用于对相应时间要求较高的应用步调，如强交互式应用。
  

缺点

• 对 CPU 资源敏感
  

CMS 默认启用的垃圾采取线程数为 (CPU数量 + 3)/4。当 CPU 数量较少时，垃圾采取线程占用的 CPU 资源比例较高，比方在只有 2 个 CPU 的情况下，垃圾采取线程占用到达 50%，这会显着低沉体系的吞吐量。

• 内存碎片题目
  

CMS 采取“标志-打扫”算法，会产生大量的内存碎片，导致内存空间不一连。当须要分配大对象时，大概会由于找不到一连的内存空间而触发 Full GC，从而增长体系的停顿时间。

• 无法处理处罚浮动垃圾
  

在垃圾采取过程中，应用步调仍在不停产生垃圾，这些垃圾被称为浮动垃圾。CMS 无法在当前垃圾采取周期内处理处罚这些浮动垃圾，只能在下次 GC 时清算，这大概导致内存利用服从低沉。
1.1.4 小结

CMS 垃圾网络器通过并发实行垃圾采取，显着低沉了停顿时间，实用于对相应时间要求较高的应用场景。然而，它对 CPU 资源敏感，轻易产生内存碎片，而且无法处理处罚浮动垃圾。随着 JDK 版本的更新，CMS 在 JDK 9 中被标志为弃用，并在 JDK 14 中被移除，取而代之的是更先辈的垃圾网络器，如 G1 和 ZGC。
2 分区网络器

2.1 G1（Garbage-First Garbage Collector）

2.1.1 概述

G1（Garbage-First Garbage Collector）是 JDK 1.7 引入的垃圾网络器，并在 JDK 9 中代替了 CMS 成为默认的垃圾网络器。G1 的筹划目标是提供一种高效、可推测的垃圾采取机制，实用于大内存和低延长的应用场景。G1 具有以下五个重要属性：

• 分代
  
• 增量
  
• 并行
  
• 标志整理
  
• STW
  

2.1.2 工作原理

• 分代（Generational）
  

G1 基于分代头脑筹划，将堆内存分别为多个巨细相当的地域（Region），每个地域可以是 Eden 区、Survivor 区或 Old 区。通过 -XX:G1HeapRegionSize=n 可以设置 Region 的巨细，范围为 1MB 到 32MB。
大对象处理处罚（Humongous Region）
G1 为大对象专门分配了 Humongous 区。大对象的判定规则是：假如一个对象的巨细凌驾了一个 Region 的 50%，则会被放入 Humongous 区。比方，假如每个 Region 的巨细为 2MB，那么凌驾 1MB 的对象就会被放入 Humongous 区。假如对象非常大，大概会高出多个 Region 存放。
G1 根据各个地域的垃圾采取情况动态决定下一次垃圾采取的地域，从而制止对整个堆内存举行垃圾采取，低沉了垃圾采取的时间。

• 增量（Incremental）
  

G1 采取增量方式实行垃圾采取，即不须要一次性采取整个堆空间，而是徐徐、增量地清算垃圾。这种筹划有助于控制停顿时间，尤其是在处理处罚大型堆时。

• 并行（Parallel）
  

G1 支持并行垃圾采取，利用多个 CPU 加速垃圾采取的速率。这一特性在年轻代的垃圾采取（Minor GC）中尤为显着，由于年轻代的对象通常较多，采取速率较高。

• 标志整理（Mark-Compact）
  

在老年代的垃圾采取中，G1 利用标志-整理算法。该算法分为两个阶段：

• 标志存活对象：遍历对象图，标志全部存活的对象。
  
• 整理堆空间：压缩堆空间，消除内存碎片，进步内存利用率。
  

年轻代的垃圾采取（Minor GC）则利用复制算法，由于年轻代的对象通常是朝生夕死的，得当快速复制和清算。

• STW（Stop-The-World）
  

只管 G1 采取了多种优化本领，但在垃圾采取过程中仍旧须要 STW。不外，G1 引入了停顿时间推测模子（Pause Prediction Model），用户可以通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置盼望的停顿时间（默认 200ms）。G1 会根据这个值盘算出公道的 Young GC 采取时间，并订定相应的采取筹划。
2.1.3 GC 模式

G1 中存在三种重要的 GC 模式：

• Young GC
  
• Mixed GC
  
• Full GC
  

2.1.3.1 Young GC

当 Eden 区的内存空间无法支持新对象的内存分配时，G1 会触发 Young GC。Young GC 采取复制算法，采取年轻代的 Region。
2.1.3.2 Mixed GC

当须要分配对象到 Humongous 地域，大概堆内存的空间占比凌驾 -XX:G1HeapWastePercent 设置的 InitiatingHeapOccupancyPercent 值时，G1 会触发一次并发标志（Concurrent Marking）。并发标志的作用是盘算老年代中有多少空间须要被采取。
当并发标志完成后，假如发现老年代中垃圾的占比到达 -XX:G1HeapWastePercent 设置的比例（默认 5%），则在下次 Young GC 后会触发 Mixed GC。Mixed GC 采取年轻代的 Region 以及一部分老年代的 Region，同样采取复制算法。
2.1.3.3 Full GC

在 Mixed GC 过程中，假如发现老年代空间仍旧不敷，且 -XX:G1HeapWastePercent 设置过低，大概会引发 Full GC。Full GC 会对整个堆举行采取，通常会导致较长的停顿时间。
2.1.4 停顿推测模子（Pause Prediction Model）

G1 的停顿推测模子是其核心特性之一。用户可以通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置盼望的停顿时间，G1 会根据这个值盘算出公道的 Young GC 采取时间，并订定相应的采取筹划。这种机制使得 G1 可以大概在大内存情况下提供可推测的停顿时间，实用于对延长敏感的应用场景。
2.1.5 优缺点

G1 的长处

• 可推测的停顿时间：通过停顿推测模子，用户可以设置盼望的停顿时间。
  
• 内存碎片较少：采取标志-整理算法，制止内存碎片题目。
  

G1 的缺点

• 复杂性较高：G1 的实现较为复杂，调优难度较大。
  

2.2 ZGC（The Z Garbage Collector）

2.2.1 概述

ZGC（The Z Garbage Collector）是 JDK 11 推出的一款低延长垃圾网络器，专为大内存和低延长服务的内存管理和采取而筹划。在 SPEC jbb 2015 基准测试中，ZGC 在 128GB 的大堆下，最大停顿时间仅为 1.68 毫秒，显着优于 G1 和 CMS。ZGC 的筹划目标是在不凌驾 10 毫秒的停顿时间内，支持 TB 级内存容量，并提供险些全部的 GC 功能。
只管 ZGC 的名字中的 “Z” 并没有明确的官方界说，但它象征着对大内存和高性能的寻求，目标是支持从 8MB 到 4TB 的堆内存，未来乃至大概扩展到 16TB。
2.2.2 核心筹划目标

• 停顿时间不凌驾 10ms：ZGC 的核心目标是将停顿时间控制在 10 毫秒以内。
  
• 停顿时间不随堆巨细或活泼对象数量增长：无论堆内存巨细或活泼对象数量怎样厘革，ZGC 的停顿时间都能保持稳固。
  
• 支持大内存：ZGC 支持从 8MB 到 4TB 的堆内存，未来大概扩展到 16TB。
  

2.2.3 工作原理

ZGC 采取了复制算法，但在标志、转移和重定位阶段举行了庞大优化，使其可以大概实现险些完全的并发实行，从而显着低沉停顿时间。
2.2.3.1 标志阶段

标志阶段从 GC Roots 开始，分析对象的可达性，标志出全部存活的对象。与 G1 雷同，ZGC 的标志阶段也分为以下三个步调：

• 标志阶段：从 GC Roots 开始，标志全部存活的对象。
  
• 对象转移阶段：将存活对象复制到新的内存所在。
  
• 重定位阶段：调解全部指向旧所在的引用，使其指向新的对象所在。
  

在 G1 中，转移阶段和重定位阶段是 STW 的，这导致了较长的停顿时间。而 ZGC 通过并发实行这些阶段，极大地低沉了停顿时间。
2.2.3.2 并发实行的关键技能

ZGC 实现低停顿的关键在于以下两项技能：

• 指针染色（Colored Pointer）
  
• 读屏蔽（Load Barrier）
  

指针染色（Colored Pointer）
指针染色是一种在指针中嵌入元数据信息的技能。在 64 位体系中，ZGC 仅利用 42-45 位来存储对象的元数据信息，包罗：

• 对象是否被移动：标志对象是否在垃圾采取过程中被移动到了新的位置。
  
• 对象的存活状态：标志对象是否存活。
  
• 对象的其他状态：如对象是否被锁定或有其他特别状态。
  

通过在指针中嵌入这些信息，ZGC 可以在标志和转移阶段快速区分对象的状态，而无需额外的内存访问，从而进步了服从。
读屏蔽（Load Barrier）
读屏蔽是一种在步调运行时插入到对象访问利用中的特别查抄机制。当步调实行读取一个对象时，读屏蔽会触发以下利用：

• 查抄指针染色：读屏蔽起首查抄指向对象的指针的颜色信息。
  
• 处理处罚移动的对象：假如指针体现对象已经被移动，读屏蔽将确保返回对象的新所在。
  
• 确保划一性：通过这种方式，ZGC 可以大概在并发移动对象时保持内存访问的划一性，从而镌汰对应用步调停顿的须要。
  

读屏蔽的伪代码实现如下：

1. // 伪代码示例，展示读屏障的概念性实现
2. Object* read_barrier(Object* ref) {
3.     if (is_forwarded(ref)) {
4.         return get_forwarded_address(ref); // 获取对象的新地址
5.     }
6.     return ref; // 对象未移动，返回原始引用
7. }

复制代码

2.2.3.3 捏造所在空间分别

ZGC 仅支持 64 位体系，并将 64 位捏造所在空间分别为多个子空间：

• 0-4TB：对应 Java 堆。
  
• 4TB-8TB：称为 M0 所在空间。
  
• 8TB-12TB：称为 M1 所在空间。
  
• 12TB-16TB：预留未利用。
  
• 16TB-20TB：称为 Remapped 空间。
  

当创建对象时，ZGC 会在堆空间申请一个捏造所在，并在 M0、M1 和 Remapped 空间中为该对象分别申请一个捏造所在，且这三个捏造所在都映射到同一个物理所在。在同一时间，只有一个所在空间是有用的。这种筹划通过“空间换时间”的头脑，低沉了 GC 的停顿时间。
2.2.4 并发工作过程

ZGC 的垃圾采取周期由三个 STW 停息和四个并发阶段构成：
2.2.4.1 STW 停息阶段

• 标志开始（Mark Start）：初始标志 GC Roots，标志全部从 GC Root 直接可达的对象，须要短暂的 STW。
  
• 重新映射开始（Relocation Start）：预备对象的重定位，选择将要清算的内存地域，并创建须要的数据结构，须要短暂的 STW。
  
• 停息竣事（Pause End）：完成与该 GC 周期干系的终极清算工作，须要短暂的 STW。
  

2.2.4.2并发阶段

• 并发标志/重新映射（M/R）：并发标志全部可达的对象，并更新指向移动对象的全部引用。
  
• 并发引用处理处罚（RP）：处理处罚各种引用范例（如软引用、弱引用、虚引用和幽灵引用）。
  
• 并发转移预备（EC）：确定哪些内存地域将被清算，并预备干系的数据结构。
  
• 并发转移（RE）：将存活的对象从旧位置移动到新位置，应用步调可以在大多数垃圾采取工作举行时继承运行。
  

2.2.5 并发标志与重定位的优化

在传统的垃圾采取器中，标志和重定位阶段通常须要访问对象头中的存活信息，这会导致额外的内存访问开销。而在 ZGC 中，对象的存活信息直接存储在指针的第 42-45 位中，通过寄存器访问，速率比访问内存更快。这种筹划使得 ZGC 在并发标志和重定位阶段可以大概高效地处理处罚对象状态。
2.2.6 优缺点

长处

• 极低的停顿时间：停顿时间不凌驾 10ms。
  
• 支持大内存：支持 8MB~4TB 的堆内存。
  

缺点

• 仅支持 64 位体系：现在仅在 64 位体系上可用。
  

3 总结

CMS、G1 和 ZGC 都是为了低沉 GC 停顿时间而筹划的垃圾网络器，但它们各有优缺点。CMS 实用于对相应时间要求较高的场景，但存在内存碎片和 CPU 资源敏感的题目；G1 提供了可推测的停顿时间，实用于大内存场景，但实现复杂；ZGC 则以极低的停顿时间和对大内存的支持为特点，实用于对延长要求极高的应用场景。
根据详细的业务需求和体系情况，选择符合的垃圾网络器是优化 GC 性能的关键。
4 头脑导图

5 参考链接

深入明确 JVM 的垃圾网络器：CMS、G1、ZGC