Java 垃圾收集器详解：CMS, G1, ZGC

Java 虚拟机（JVM）内置的垃圾收集机制是 Java 程序能够自动管理内存的关键。随着 Java 应用程序规模的增长和技术的进步，垃圾收集器的设计也在不断演进，以满足更高性能、更低延迟的需求。本文将详细介绍 CMS、G1 和 ZGC 这三种垃圾收集器，并提供一个详细的对比表格。

CMS（Concurrent Mark Sweep）

CMS 收集器是一种以获得最短回收停顿时间为目标的收集器，非常适合对响应时间有严格要求的应用场景。CMS 使用多线程并行执行垃圾收集工作，从而减少应用程序暂停的时间。

特点

• 并发清理：CMS 在进行垃圾收集时，会尽量与其他应用程序线程一起工作，减少停顿时间。
• 低停顿时间：通过并行执行，可以显著减少 GC 的停顿时间。
• 内存碎片问题：CMS 不进行内存压缩，可能导致内存碎片。

命令行参数

启动 JVM 并指定使用 CMS 收集器可以通过以下参数：

java -XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar

代码示例

public class CMSExample {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] placeholder;
        while (true) {
            placeholder = new byte[1024 * 1024]; // 分配1MB的空间
            placeholder = null; // 允许这个对象被收集
        }
    }
}

G1（Garbage First）

G1 是一种兼顾吞吐量和停顿时间的垃圾收集器，它将堆划分为多个大小相等的区域（region），并能独立地回收这些区域。这种设计使得 G1 能够更好地预测和控制 GC 停顿时间。

特点

• 分区式回收：G1 将堆划分为多个小块，每一块都可以独立地被回收。
• 可预测性：通过设置期望的最大停顿时间，G1 可以更好地适应不同应用的需求。
• 吞吐量优化：通过选择合适的区域进行回收，可以在保证性能的同时减少停顿时间。

命令行参数

启动 JVM 并指定使用 G1 收集器可以通过以下参数：

java -XX:+UseG1GC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar

ZGC（Z Garbage Collector）

ZGC 是为了解决大堆（数十 GB 到数 TB）下的垃圾收集问题而设计的。ZGC 的目标是在任何情况下都能保持较低的 GC 停顿时间，即使是在大堆的情况下也是如此。

特点

• 低延迟：ZGC 设计的目标是确保 GC 停顿时间不超过 10 毫秒，无论堆的大小是多少。
• 并发标记：ZGC 使用并发标记算法来减少应用程序的停顿时间。
• 无碎片压缩：ZGC 在每次回收后都会进行内存压缩，以减少内存碎片。

命令行参数

启动 JVM 并指定使用 ZGC 收集器可以通过以下参数：

java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar

对比表格

为了更直观地对比这几种垃圾收集器，以下是一个包含主要特性和指标的对比表格：

命令行参数示例

以下是使用不同垃圾收集器的一些命令行参数示例：

• Serial

  java -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar
  

• Parallel

  java -XX:+UseParallelGC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar
  

• ParNew

  java -XX:+UseParNewGC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar
  

• CMS

  java -XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar
  

• G1

  java -XX:+UseG1GC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar
  

• ZGC

  java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar
  

• Shenandoah

  java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar
  

• Epsilon

  java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseEpsilonGC -Xms200m -Xmx200m -jar yourapp.jar
  

总结

选择合适的垃圾收集器需要综合考虑应用程序的特点和性能需求。如果需要最小化应用程序的停顿时间，可以选择 CMS 或者 ZGC；如果需要平衡吞吐量和停顿时间，则 G1 是一个不错的选择。对于大堆的应用，ZGC 和 Shenandoah 提供了极低的停顿时间，而 Parallel 和 ParNew 更适合需要高吞吐量的应用。未来随着 Java 技术的发展，新的垃圾收集器将会不断出现，以满足更多样化的需求。