JVM 垃圾收集器全面对比（Serial、CMS、G1、ZGC）

在上一篇文章中，我们深入探讨了 JVM 的类加载机制与自定义类加载器的实现，为理解字节码运行时的生命周期奠定了坚实基础。接下来，我们将进入 JVM 性能调优的核心领域之一——垃圾收集器（Garbage Collector, GC）。

GC 是 JVM 实现自动内存管理的关键模块，选择合适的 GC 策略与参数不仅影响吞吐量和延迟，还关乎系统的可预测性和稳定性。本文将从架构、特点、适用场景等多个维度，全面对比 JVM 中最具代表性的四类收集器：Serial、CMS、G1 和 ZGC。

一、为什么要了解多个 GC 收集器？

JVM 提供了多种垃圾收集器，不同 GC 的算法模型、并发能力和停顿特性各不相同。选错 GC 不仅无法充分发挥硬件潜力，还可能引发以下问题：

• 响应时间抖动
• Full GC 频繁触发
• 老年代空间耗尽

优秀的 GC 选择与配置能大幅优化吞吐率与稳定性，是每个高级开发者必须掌握的核心技能。

二、主流垃圾收集器快速导航

收集器	算法	并发	停顿	适用场景
Serial	复制 / 标记清除	无	STW，单线程	Client、小堆、单核
CMS	标记-清除	并发标记	短停顿	Web、低延迟服务
G1	分区整理	并发标记	可控停顿	大堆、混合场景
ZGC	并发标记-整理	全并发	毫秒级停顿	超低延迟、大内存应用

三、Serial GC：最简单的单线程收集器

✦ 回收算法

• 新生代采用复制算法
• 老年代使用标记-清除

✦ 特点

• 所有阶段单线程执行
• 每次 GC 都会完全 Stop-The-World（STW）
• 实现简单、资源占用低

✦ 优劣分析

优点	缺点
吞吐率尚可	无并发、暂停时间长
适合资源受限环境	不适合响应敏感业务

✦ 典型场景

• 嵌入式设备
• 小型单机服务（< 100MB 堆）

✦ 启动方式

-XX:+UseSerialGC

四、CMS（Concurrent Mark Sweep）：并发回收的先驱

✦ 回收算法

• 年轻代采用 ParNew（多线程复制）
• 老年代使用标记-清除，分阶段并发执行

✦ 回收阶段

1. Initial Mark（STW）
2. Concurrent Mark
3. Remark（STW）
4. Concurrent Sweep

✦ 优劣分析

优点	缺点
老年代大部分并发，STW 短	无整理，容易碎片化
多线程回收，适合多核	需预留空间防止 promotion failed
响应好于 Serial	并发模式失败会触发 Full GC（单线程）

✦ 使用建议

• 使用 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 控制触发阈值
• 启用 -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly 避免动态调节

✦ 启动方式

-XX:+UseConcMarkSweepGC

⚠️ 注：CMS 已在 JDK 14 被移除，建议迁移至 G1 或 ZGC。

五、G1（Garbage First）：现代化的分区回收器

✦ 核心理念：Region 化 + 并发预测停顿

• 堆划分为多个大小一致的 Region
• 年轻代 / 老年代不再是物理区块，而是动态 Region 集合

✦ 回收阶段

• Young GC：回收 Eden + Survivor（STW）
• Mixed GC：Eden + 部分 Old（STW + 并发标记支持）

✦ 优劣分析

优点	缺点
支持并发标记，预测 STW 时间	调优参数较多
减少 Full GC 频率	Mixed GC 过程复杂
自动整理，避免碎片	初始配置成本较高

✦ 启动方式

-XX:+UseG1GC

✦ 调优建议

• -XX:MaxGCPauseMillis=200 控制最大停顿目标（毫秒）
• -XX:G1HeapRegionSize=4m 调整 Region 粒度
• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 控制 Mixed GC 触发

推荐生产环境默认选择 G1，适配性强。

六、ZGC（Z Garbage Collector）：毫秒级延迟革新

✦ 特点概览

• 所有回收阶段（标记、整理、重定位）几乎全并发
• 停顿时间控制在 <10ms
• 支持 4TB+ 堆（JDK 17 支持最多 16TB）

✦ 回收机制

• 借助 Load Barrier 技术，实现对象引用的原位标记
• 避免传统 GC 对对象指针的大规模调整

✦ 优劣分析

优点	缺点
超低延迟，适合 RT < 10ms 场景	不支持 JDK 8，需 JDK 11+
完整并发回收 + 整理	对 CPU 敏感，吞吐略低
内存碎片率极低	可视化支持弱于 G1（需配合 JFR）

✦ 启动方式（JDK 11+）

-XX:+UseZGC

配合：-Xms4G -Xmx4G 固定堆配置更稳定

七、收集器横向对比总结

特性对比	Serial	CMS	G1	ZGC
并发能力	❌ 无	✅ 老年代并发	✅ 全堆并发	✅ 全阶段并发
STW 时长	长	短（部分）	中等可控	极短（<10ms）
吞吐能力	中等	高	高	中
内存整理	❌ 否	❌ 否（碎片）	✅ 是	✅ 是
容量支持	小堆	中堆	大堆（>8G）	超大堆（TB 级）
适用场景	小应用	响应优先	大部分应用	实时系统、大数据、高频交易
推荐版本	JDK 8-	JDK 8-13	JDK 11+	JDK 17+（推荐）

八、收集器演进趋势与选择建议

• 新项目优先选择 G1（默认 GC），高可控、适配性好
• 对延迟极度敏感（金融交易、实时游戏）可尝试 ZGC
• JDK 8 老项目仍可用 CMS，但应考虑升级计划
• Serial 仅适用于测试、嵌入式、低配置容器场景

Java 的 GC 机制从单线程到多线程，再到 Region 化、指针隔离与可预测低延迟，是面向未来服务架构的演进路线。

✅ 总结 · 专业视角回顾

• 每种 GC 收集器都有其特定使用场景和调优策略；
• G1 是当前推荐的通用 GC，具备平衡延迟与吞吐的能力；
• CMS 逐步退出历史舞台，ZGC 与 Shenandoah 是面向实时的现代方案；
• 理解各收集器的算法原理 + 日志特征 + 参数控制，是进行性能优化和系统稳定保障的基础。

下一篇预告

下一篇《第 5 篇：GC 日志全面解析与性能分析实战》将深入 GC 日志结构与字段，教你如何通过日志定位 GC 瓶颈、优化应用停顿、分析对象生命周期，内容更贴近实战与故障排查。

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