Java 深入浅出垃圾回收【二、G1 GC / ZGC / Shenandoah GC】

现代 GC 流程核心对比

1. G1 GC（Garbage First）

1.1 核心思想

• 将堆划分为 多个大小相等的 Region（默认 1–32 MB），不再是固定的年轻代/老年代
• 年轻代和老年代都是 Region，通过 RegionSet 动态划分
• 混合回收 (Mixed GC)：年轻代 + 部分老年代 Region 同时回收
• 目标：可预测停顿时间，控制 STW 时间

1.2 内存结构（源码）

Heap
 ├─ Eden Regions
 ├─ Survivor Regions
 ├─ Old Regions
 └─ Humongous Regions (>1/2 Region size)

源码类关键：

• G1CollectedHeap：G1 GC 堆入口
• G1YoungGen / G1OldGen：年轻代/老年代管理
• G1Region：Region 对象
• G1Collector：主要收集器

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1.3 回收流程

1.3.1 Minor GC（年轻代回收）

1. Eden/S0/S1 对象复制

   • 使用 复制算法，存活对象复制到 Survivor 或晋升到老年代

2. Region 空闲计算

   • 计算哪些 Region 可以回收

3. STW 阶段

   • 暂停应用线程，执行初始标记（Root 标记）

1.3.2 Mixed GC（年轻代 + 老年代）

1. 选择回收 Region

   • 优先回收垃圾最多的 Region
   • 使用 Region 回收优先队列

2. 并发标记阶段

   • 遍历可达对象，标记存活对象
   • STW 初始标记 + 并发标记 + STW 重新标记

3. 整理/搬迁

   • 将存活对象移动到其他 Region
   • 更新引用（Forwarding Table / Remembered Set）

1.3.3 Humongous Objects

• 对象大于 1/2 Region → 分配到连续 Humongous Region

• 处理方式：

  • Minor GC 可能直接晋升到老年代
  • Mixed GC 时单独回收

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1.4 源码关键细节

• 对象移动：

  • HeapRegion::evacuate() 负责对象搬迁
  • 通过 forwarding pointer 更新引用

• 并发标记：

  • G1ConcurrentMark::mark_roots() 遍历根对象
  • G1ConcurrentMark::concurrent_mark() 并发扫描

• STW 控制：

  • -XX:MaxGCPauseMillis：目标停顿时间
  • G1CollectorPolicy::select_regions_to_collect()

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2. ZGC（Z Garbage Collector）

2.1 核心思想

• 超低延迟 (<10ms)

• 并发、增量式

• 支持 TB 级大堆

• 核心技术：

  • Colored Pointers：对象头 + 指针编码状态
  • Load Barriers：对象访问时更新引用
  • Region + Relocation：并发移动对象

2.2 内存结构

• Region 化堆：1GB-4GB 大小，按需回收

• 虚拟空间映射 (Virtual Memory Arena)：支持大堆

• 对象状态标记：

  • Blue, Green, Red 等色标识对象是否移动

2.3 回收流程（源码分析）

1. 并发标记

   • ZMarkTask 遍历根对象
   • 使用 colored pointer 标记对象状态

2. 并发准备搬迁

   • 计算新地址
   • 设置 forwarding pointer

3. 对象搬迁

   • ZRelocate 并发搬迁存活对象
   • Load Barrier 确保线程访问到新地址

4. 清理空闲 Region

   • 并发清理空闲内存

2.4 源码关键点

• HeapRegion：ZGC 对 Region 管理
• ZPageList：空闲页面管理
• ZBarrierSet：Load / Store Barrier
• ZRelocateTask：对象搬迁并更新指针

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3. Shenandoah GC

3.1 核心思想

• 并发标记 + 并发整理
• 低停顿 (<10ms)，目标大堆和延迟敏感应用
• 支持 记忆集合 (Remembered Set)，追踪跨 Region 引用

3.2 内存结构

Heap
 ├─ Eden Regions
 ├─ Survivor Regions
 ├─ Old Regions
 └─ Humongous Regions

• 与 G1 类似，但 并发整理 替代 G1 的 STW 整理

3.3 回收流程

1. 初始标记 (STW)

   • 标记根对象

2. 并发标记

   • 并行扫描对象

3. 重新标记 (STW)

   • 修正并发期间新创建或修改的对象

4. 并发整理

   • ShenandoahEvacuation 并发搬迁存活对象
   • 更新引用

5. Release 空闲 Region

   • 空闲内存返回 OS

3.4 源码关键点

• ShenandoahHeap：堆入口
• ShenandoahEvacuationSet：管理搬迁区域
• ShenandoahBarrierSet：Load/Store Barrier
• ShenandoahConcurrentMark：并发标记

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4. 对比分析（G1 vs ZGC vs Shenandoah）

特性	G1	ZGC	Shenandoah
停顿时间	可控 (~10-200ms)	<10ms	<10ms
堆大小	Up to 32TB	TB 级	TB 级
对象搬迁	并发 + STW	完全并发	完全并发
算法核心	Region + Mixed GC	Colored pointer + Load Barrier	Concurrent Compact + Barrier
优点	自动碎片整理，调优灵活	超低延迟，大堆支持	低停顿，适合延迟敏感应用
缺点	CPU 占用高，参数多	内存开销大，Barrier成本	调优复杂，Barrier成本

对象生命周期 + GC 流程可视化图

• 同时对比 G1 / ZGC / Shenandoah 的 对象流转、Barrier 介入点、并发阶段、STW 时机。
  

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5. 调优 & 相关 JVM 参数

G1

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=50
-XX:ParallelGCThreads=8
-XX:G1HeapRegionSize=16M

ZGC

-XX:+UseZGC
-XX:MaxHeapSize=512G
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions

Shenandoah

-XX:+UseShenandoahGC
-XX:ShenandoahGCHeuristics=adaptive
-XX:ShenandoahPauses=5