垃圾回收算法G1gc和Zgc的区别及重要特性总结

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核心设计目标对比：

• G1 GC (Garbage-First)： 主要目标是在可控的停顿时间（通常几百毫秒以内）下实现高吞吐量。它针对大内存（几十GB）进行了优化，但并非追求极低停顿。
• ZGC (Z Garbage Collector)： 核心设计目标是将停顿时间控制在极低水平（通常10ms以下，甚至亚毫秒级），且停顿时间几乎不随堆大小（可达TB级）增长而增加。吞吐量是其次要目标（虽然也在不断提升）。

核心GC过程详解 (关键区别所在)：

1. 标记阶段 (Marking)：

   • G1 GC:
     • 并发标记 (Concurrent Marking)： 这是G1的核心优势之一。与应用线程并发运行，遍历对象图找出存活对象。过程分多个子阶段：
       • 初始标记 (Initial Mark)： STW。标记从GC Roots直接可达的对象。这个阶段通常很快，因为它只标记根的直接引用。
       • 根区域扫描 (Root Region Scanning)： 并发。扫描Survivor区（属于根区域）中对象指向老年代的引用。必须在下一个Young GC开始前完成。
       • 并发标记 (Concurrent Marking)： 并发。遍历整个堆的对象图，找出所有存活对象。可能与应用线程并发修改对象图产生浮动垃圾。
       • 最终标记 (Remark)： STW。处理在并发标记期间应用线程产生的引用变化（使用SATB - Snapshot-At-The-Beginning算法）。需要短暂暂停应用线程来确保标记结果的准确性。
       • 清理 (Cleanup)： STW (部分并发)。计算各个Region的存活对象信息，对Region进行排序（根据可回收空间和回收成本）。识别出完全空闲的Region进行回收。这一步本身有短暂的STW来准备回收，实际回收部分Region可以并发。
   • ZGC:
     • 并发标记 (Concurrent Marking)： 完全并发。ZGC的标记阶段几乎完全与应用线程并发执行。关键实现机制：
       • 染色指针 (Colored Pointers)： 这是ZGC的基石。它在64位对象指针（实际只用了42-48位寻址）的高位元数据位中存储标记信息（Marked0, Marked1, Remapped）和对象状态（Finalizable等）。无需修改对象头。
       • 读屏障 (Load Barrier)： 这是实现全并发标记和转移的核心。 当应用线程从堆内存加载引用时，这个屏障代码会被触发。它的主要作用是检查指针的元数据位：
         • 如果发现指针指向的对象尚未被标记（或需要重映射），屏障会确保在应用代码使用该引用前，完成必要的标记或重映射操作（可能由该线程自己执行，或由GC线程完成）。
         • 这保证了应用线程看到的内存视图始终是“正确”的（要么指向旧地址但标记了，要么指向新地址），从而允许GC线程完全并发地进行标记和转移。
     • ZGC标记过程： 没有传统意义上的STW初始标记和最终标记阶段。整个标记过程通过读屏障与应用线程高度协作并发完成，避免了长时间的STW暂停。ZGC的标记阶段通常包括多个循环（Mark Start, Mark End），但都是在并发状态下完成。

2. 转移/疏散阶段 (Evacuation/Relocation)：

   • G1 GC:
     • 疏散暂停 (Evacuation Pause)： STW。 这是G1产生主要停顿时间的阶段。G1根据之前的标记和Region排序结果，选择一组Region（称为Collection Set, CSet）进行回收。CSet通常包含所有年轻代Region和部分预测回收收益高的老年代Region。
     • 过程： 在STW期间，将CSet中存活的对象复制（疏散）到新的、空闲的Region中（目标可能是Survivor区或老年代Region）。同时更新所有指向这些被移动对象的引用。
     • 机制： 使用写屏障 (Write Barrier) 记录在并发标记阶段应用线程修改对象引用（称为SATB日志），确保在最终标记阶段能正确处理这些变更。转移阶段本身需要STW来原子性地完成对象的移动和引用的更新。
   • ZGC:
     • 并发转移 (Concurrent Relocation)： 完全并发。 这是ZGC最革命性的特性之一。它不需要STW来移动对象。
     • 过程：
       • ZGC选择一组需要回收（通常是垃圾比例很高）的Region作为重分配集 (Relocation Set)。
       • 读屏障再次成为关键： 当应用线程尝试访问位于重分配集中的对象时：
         • 读屏障会检查该对象是否已被转移。如果没有，则由当前应用线程（或GC线程）立即执行该对象的转移（复制到新的Region），并原子性地更新该引用指针（通过CAS操作）指向新地址，并设置指针的Remapped状态。
         • 同时，在旧对象位置留下一个转发指针 (Forwarding Pointer)，指向新位置。
       • 其他线程访问同一对象时，读屏障要么看到Remapped状态直接使用新地址，要么通过转发指针找到新地址并尝试更新自己的引用。
     • 转移后处理 (Remapping)： 在下一个标记周期中，ZGC会并发地遍历所有引用（特别是那些在转移期间没有被应用线程访问到的对象引用），利用留下的转发指针，将这些引用更新到对象的新地址（即进行重映射）。读屏障在这个过程中也会协助修复应用线程新加载的引用。

重要特性总结：

• G1 GC:

  1. 分代收集： 逻辑上仍然区分年轻代（Eden, Survivor）和老年代，但物理上是大小相等的Region。
  2. Region分区： 堆被划分为多个固定大小（默认约1MB-32MB）的Region，回收以Region为单位。
  3. 增量回收与混合收集： 不是一次回收整个堆，而是增量地进行。混合收集既回收年轻代Region，也回收选定的老年代Region。
  4. 可预测停顿模型： 通过设置-XX:MaxGCPauseMillis（默认200ms）目标，G1尽力（但不保证）控制每次GC停顿时间在该目标内。它根据历史数据和Region信息预测选择回收收益最大的Region组成CSet。
  5. Remembered Sets (RSet)： 每个Region都有一个RSet，记录其他Region指向本Region内对象的引用。用于避免在Young GC时扫描整个老年代。维护RSet是G1的重要开销来源之一。
  6. SATB算法： 处理并发标记期间引用变化的算法，以标记开始时的对象图为快照。
  7. STW阶段： 存在明确的STW阶段：初始标记、最终标记、疏散暂停（主要停顿）、清理（部分STW）。

• ZGC:

  1. 亚毫秒级停顿目标： 首要设计目标，停顿时间通常在10ms以下，且与堆大小无关（TB级堆也能保持）。
  2. 全并发操作： 标记、转移（重定位）、重映射等关键阶段几乎都是并发执行的，极大地减少了STW。
  3. 染色指针 (Colored Pointers)： 核心创新，将GC元数据存储在指针本身，无需对象头修改，减少了内存占用和访问开销。同时实现了高效的屏障检查和并发处理。
  4. 读屏障 (Load Barrier)： 实现并发标记和并发转移的基石。代价是每次从堆加载引用都有额外检查（但JVM高度优化了屏障代码）。
  5. NUMA感知： 对非统一内存访问架构有良好支持，优先在本地NUMA节点分配内存，提升性能。
  6. 不分代 (Single Generation - 目前)： 当前版本的ZGC（截至JDK 21）没有物理或逻辑上的分代。它统一管理整个堆。这是其追求极致低延迟的一个设计选择（避免分代间引用跟踪的复杂性和潜在停顿）。未来计划引入分代式ZGC (Generational ZGC - 预览中)。
  7. 基于Region： 堆也划分为Region（称为ZPages，大小更灵活：2MB, 32MB等），但管理方式与G1不同。
  8. 极少的STW： STW阶段非常短暂，主要用于启动GC周期（如根扫描准备）和极少数必要的全局同步点（如JVM安全点），时间通常固定且极短（与堆大小无关）。

如何选择？

• 选择 G1 GC：

  • 堆大小在几十GB到一两百GB级别。
  • 可以容忍几百毫秒的GC停顿（通常要求 < 200ms）。
  • 追求较高的整体吞吐量。
  • 运行在JDK 8, 11等较早版本（ZGC支持可能受限或不够成熟）。
  • 应用对中等延迟敏感，但非极端要求。

• 选择 ZGC：

  • 堆非常大（数百GB甚至TB级）。
  • 对停顿时间极度敏感，要求暂停在10ms甚至亚毫秒级（如金融交易、实时系统、大型交互式应用）。
  • 应用需要极低的服务延迟保证。
  • 运行在较新的JDK版本（JDK 15+，生产推荐JDK 17 LTS+）。
  • 愿意接受为读屏障带来的轻微吞吐量开销（与低停顿的收益相比通常是值得的）。

总结关键区别表：

特性	G1 GC	ZGC
主要目标	可控停顿(几百ms)下的高吞吐量	极低停顿(<10ms)，堆大小无关
堆大小适应性	大堆(几十GB)	超大堆(TB级)
分代	是 (逻辑分代, 物理Region)	否 (目前统一管理，分代ZGC在预览中)
标记阶段	并发标记 + STW子阶段(初始/最终标记)	完全并发标记 (依赖读屏障)
转移/疏散阶段	STW (Evacuation Pause)	完全并发转移 (核心革命, 依赖读屏障)
关键创新	Region, RSet, SATB, 预测模型	染色指针, 读屏障
核心STW来源	初始标记, 最终标记, 疏散暂停	极短暂的根处理/安全点
停顿时间预测性	尽力控制(MaxGCPauseMillis)	高度可预测且极低
停顿与堆大小关系	随堆增大可能增加	基本无关
内存开销	中等 (RSet, Card Table)	较低 (元数据在指针)
吞吐量	高	中等至高 (持续优化中，略低于G1)
JDK支持	JDK 7u4+ (生产: JDK 8u20+, JDK9默认)	JDK 11+ (实验), JDK15+ (生产)