JAVA 大厂常用 GC 调优方案详解：G1、ZGC、Shenandoah 对比分析
大家好，今天我们来深入探讨一下 Java 大厂常用的 GC 调优方案，重点对比分析 G1、ZGC 和 Shenandoah 这三种 GC 算法。垃圾回收（GC）是 Java 虚拟机（JVM）的重要组成部分，它负责自动管理内存，回收不再使用的对象，防止内存泄漏。一个优秀的 GC 策略能够显著提升应用程序的性能和稳定性。
1. GC 的基本概念回顾
在深入了解具体的 GC 算法之前，我们先简单回顾一些 GC 的基本概念：
- 新生代（Young Generation）： 对象刚创建时通常位于新生代，分为 Eden 区和两个 Survivor 区（S0 和 S1）。
- 老年代（Old Generation）： 经过多次 Minor GC 仍然存活的对象会被移动到老年代。
- 永久代/元空间（Permanent Generation/Metaspace）： 用于存储类信息、常量池等数据。在 JDK 8 之后，永久代被元空间取代，元空间使用本地内存。
- Minor GC（Young GC）： 对新生代进行垃圾回收。
- Major GC（Old GC）： 对老年代进行垃圾回收。
- Full GC： 对整个堆（包括新生代、老年代和元空间）进行垃圾回收。Full GC 通常会造成较长的停顿时间。
- Stop-The-World (STW)： 在 GC 过程中，JVM 会暂停所有应用程序线程，以便安全地进行垃圾回收。STW 的时间越短，应用程序的响应性越好。
- 吞吐量（Throughput）： 应用程序运行的时间占总时间的比例。高吞吐量意味着应用程序能够处理更多的任务。
- 延迟（Latency）： 应用程序的响应时间。低延迟意味着应用程序能够更快地响应用户请求。
2. G1 (Garbage-First) 垃圾收集器
G1 是 JDK 7 Update 4 中引入的垃圾收集器，并在 JDK 9 中成为默认的垃圾收集器。它的设计目标是替代 CMS 收集器，并提供更好的预测性和可控性。
2.1 G1 的特点：
- 基于 Region 的堆内存布局： G1 将堆内存划分为多个大小相等的 Region，每个 Region 可以是 Eden 区、Survivor 区或老年代。
- Garbage-First： G1 优先回收垃圾最多的 Region，以最大化每次 GC 的回收效率。
- 可预测的停顿时间： G1 允许用户指定期望的停顿时间，G1 会尽力满足这个目标。
- 并发标记： G1 使用并发标记算法，在应用程序运行的同时进行垃圾标记，减少 STW 时间。
- 空间整合： G1 在 GC 过程中会对空闲 Region 进行整合，避免内存碎片。
2.2 G1 的工作流程：
- 初始标记（Initial Mark）： 标记 GCRoots 可达的对象。需要 STW。
- 并发标记（Concurrent Marking）： 从 GCRoots 开始，并发遍历堆中的对象，标记所有可达的对象。
- 最终标记（Remark）： 修正并发标记期间应用程序线程对对象引用关系产生的变动。需要 STW。
- 筛选回收（Cleanup）： 对各个 Region 的回收价值和成本进行排序，根据用户期望的停顿时间制定回收计划。然后将垃圾最多的 Region 中的垃圾对象回收。部分过程是并发的。
- 复制/转移（Evacuation）： 将存活的对象复制到新的 Region 中，并更新引用。需要 STW。
2.3 G1 的常用 JVM 参数：
| 参数 | 说明 | 默认值 |
|---|---|---|
-XX:+UseG1GC |
启用 G1 垃圾收集器 | |
-XX:MaxGCPauseMillis=n |
设置期望的停顿时间，单位为毫秒。G1 会尽力满足这个目标，但这并不保证一定能够达到。 | 200ms |
-XX:G1HeapRegionSize=size |
设置每个 Region 的大小。通常设置为 1MB 到 32MB 之间，G1 会自动调整 Region 的数量。 | 自动计算 |
-XX:G1NewSizePercent=percent |
设置新生代占堆内存的最小百分比。 | 5% |
-XX:G1MaxNewSizePercent=percent |
设置新生代占堆内存的最大百分比。 | 60% |
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent |
设置触发并发 GC 的堆内存使用百分比。当堆内存使用超过这个百分比时，G1 会启动并发 GC。 | 45% |
-XX:ConcGCThreads=n |
设置并发 GC 的线程数。 | 根据 CPU 核心数自动计算 |
-XX:G1ReservePercent=percent |
设置预留的内存百分比，用于在 GC 过程中分配新的对象。 | 10% |
-XX:+PrintGCDetails |
打印详细的 GC 日志。 | |
-XX:+PrintGCTimeStamps |
打印 GC 时间戳。 | |
-Xmx<size> |
设置堆内存的最大大小。 | |
-Xms<size> |
设置堆内存的初始大小。 |
2.4 G1 的代码示例：
public class G1Example {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 模拟对象分配
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
byte[] data = new byte[1024]; // 分配 1KB 的内存
// 让部分对象存活更长时间
if (i % 100 == 0) {
Thread.sleep(1);
}
}
System.out.println("对象分配完成");
}
}
// 运行参数示例：
// java -Xmx2g -Xms2g -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=50 -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps G1Example这个示例模拟了对象的分配，并设置了 G1 的一些常用参数，如最大堆内存、初始堆内存、使用 G1 GC、最大 GC 停顿时间等。可以通过观察 GC 日志来分析 G1 的行为。
2.5 G1 的适用场景：
- 需要低延迟的应用，例如在线交易系统、实时数据处理系统。
- 大堆内存的应用，例如大数据分析、机器学习。
- 不希望频繁进行 Full GC 的应用。
2.6 G1 的调优建议：
- 合理设置
-XX:MaxGCPauseMillis： 根据应用程序的实际需求设置期望的停顿时间。如果设置得太小，可能会导致 G1 频繁进行 GC，影响吞吐量。 - 监控 GC 日志： 通过 GC 日志分析 G1 的行为，例如 GC 的频率、停顿时间、堆内存的使用情况等。
- 调整 Region 大小：
-XX:G1HeapRegionSize可以调整 Region 的大小。较小的 Region 可以提高空间利用率，但可能会增加 GC 的频率。较大的 Region 可以减少 GC 的频率，但可能会浪费空间。 - 调整并发 GC 线程数：
-XX:ConcGCThreads可以调整并发 GC 的线程数。过多的线程可能会占用过多的 CPU 资源，影响应用程序的性能。过少的线程可能会导致 GC 的速度过慢。 - 避免过多的 Full GC： 如果 G1 频繁进行 Full GC，需要检查代码中是否存在内存泄漏或其他问题。
3. ZGC (Z Garbage Collector) 垃圾收集器
ZGC 是 JDK 11 中引入的低延迟垃圾收集器。它的设计目标是实现亚毫秒级的 GC 停顿时间，即使在 TB 级别的堆内存下也能保持良好的性能。
3.1 ZGC 的特点：
- 基于 Region 的堆内存布局： ZGC 也将堆内存划分为多个 Region，但 Region 的大小可以动态变化。
- 着色指针（Colored Pointers）： ZGC 使用着色指针技术，将一些 GC 信息存储在指针中，从而避免在 GC 过程中遍历整个堆。
- 读屏障（Read Barriers）： ZGC 使用读屏障技术，在应用程序读取对象引用时进行一些额外的操作，例如检查对象是否被移动。
- 并发： ZGC 几乎所有的 GC 工作都是并发执行的，包括标记、转移和重定位。
- 亚毫秒级停顿： ZGC 的停顿时间非常短，通常在几毫秒以内。
3.2 ZGC 的工作流程：
- 并发标记（Concurrent Mark）： 从 GCRoots 开始，并发遍历堆中的对象，标记所有可达的对象。
- 并发预备重定位（Concurrent Prepare Relocate）： 统计 Region 中的存活对象，并为每个 Region 选择合适的转移目标。
- 并发重定位（Concurrent Relocate）： 将存活的对象复制到新的 Region 中，并更新引用。
- 并发重映射（Concurrent Remap）： 修正所有指向已转移对象的指针。
3.3 ZGC 的常用 JVM 参数：
| 参数 | 说明 | 默认值 |
|---|---|---|
-XX:+UseZGC |
启用 ZGC 垃圾收集器 | |
-Xmx<size> |
设置堆内存的最大大小。ZGC 对堆内存的大小没有特别的限制，但建议设置足够大的堆内存以避免频繁 GC。 | |
-Xms<size> |
设置堆内存的初始大小。通常设置为与最大堆内存相同，以避免堆内存的动态扩展。 | |
-XX:ConcGCThreads=n |
设置并发 GC 的线程数。 | 根据 CPU 核心数自动计算 |
-XX:+PrintGCDetails |
打印详细的 GC 日志。 | |
-XX:+PrintGCTimeStamps |
打印 GC 时间戳。 | |
-XX:+ZUncommit |
启用内存释放功能。ZGC 可以将不再使用的内存释放回操作系统。 | |
-XX:ZUncommitDelay=seconds |
设置内存释放的延迟时间。 | 300 秒 |
3.4 ZGC 的代码示例：
public class ZGCExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 模拟对象分配
for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
byte[] data = new byte[1024]; // 分配 1KB 的内存
// 让部分对象存活更长时间
if (i % 1000 == 0) {
Thread.sleep(1);
}
}
System.out.println("对象分配完成");
}
}
// 运行参数示例：
// java -Xmx4g -Xms4g -XX:+UseZGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps ZGCExample这个示例与 G1 的示例类似，但使用了 ZGC 垃圾收集器。可以通过观察 GC 日志来分析 ZGC 的行为。
3.5 ZGC 的适用场景：
- 需要极低延迟的应用，例如金融交易系统、实时游戏。
- 大堆内存的应用，例如 TB 级别的内存数据库。
- 对吞吐量要求不高的应用。
3.6 ZGC 的调优建议：
- 设置足够大的堆内存： ZGC 的性能与堆内存的大小密切相关。建议设置足够大的堆内存，以避免频繁 GC。
- 监控 GC 日志： 通过 GC 日志分析 ZGC 的行为，例如 GC 的频率、停顿时间、堆内存的使用情况等。
- 调整并发 GC 线程数：
-XX:ConcGCThreads可以调整并发 GC 的线程数。 - 启用内存释放功能：
-XX:+ZUncommit可以启用内存释放功能，将不再使用的内存释放回操作系统。
4. Shenandoah 垃圾收集器
Shenandoah 是 Red Hat 开发的一款并发垃圾收集器，于 JDK 12 中正式发布。它的目标与 ZGC 类似，都是实现亚毫秒级的 GC 停顿时间。
4.1 Shenandoah 的特点：
- 基于 Region 的堆内存布局： Shenandoah 也将堆内存划分为多个 Region。
- 着色指针（Colored Pointers）： 与 ZGC 类似，Shenandoah 也使用着色指针技术。
- 转发指针（Forwarding Pointers）： Shenandoah 使用转发指针技术，在对象被移动时，将旧的对象指向新的对象。
- 并发： Shenandoah 几乎所有的 GC 工作都是并发执行的。
- 亚毫秒级停顿： Shenandoah 的停顿时间非常短，通常在几毫秒以内。
4.2 Shenandoah 的工作流程：
- 初始标记（Initial Mark）： 标记 GCRoots 可达的对象。需要 STW。
- 并发标记（Concurrent Mark）： 从 GCRoots 开始，并发遍历堆中的对象，标记所有可达的对象。
- 最终标记（Final Mark）： 修正并发标记期间应用程序线程对对象引用关系产生的变动。需要 STW。
- 并发清理（Concurrent Cleanup）： 清理不再使用的 Region。
- 并发转移（Concurrent Evacuation）： 将存活的对象复制到新的 Region 中，并更新引用。
- 初始引用更新（Initial Reference Update）： 准备更新所有指向已转移对象的指针。需要 STW。
- 并发引用更新（Concurrent Reference Update）： 并发更新所有指向已转移对象的指针。
- 最终引用更新（Final Reference Update）： 完成引用更新。需要 STW。
4.3 Shenandoah 的常用 JVM 参数：
| 参数 | 说明 | 默认值 |
|---|---|---|
-XX:+UseShenandoahGC |
启用 Shenandoah 垃圾收集器 | |
-Xmx<size> |
设置堆内存的最大大小。 | |
-Xms<size> |
设置堆内存的初始大小。 | |
-XX:ConcGCThreads=n |
设置并发 GC 的线程数。 | 根据 CPU 核心数自动计算 |
-XX:+PrintGCDetails |
打印详细的 GC 日志。 | |
-XX:+PrintGCTimeStamps |
打印 GC 时间戳。 | |
-XX:ShenandoahGCHeuristics=<value> |
设置 Shenandoah 的启发式算法。 | adaptive |
4.4 Shenandoah 的代码示例：
public class ShenandoahExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 模拟对象分配
for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
byte[] data = new byte[1024]; // 分配 1KB 的内存
// 让部分对象存活更长时间
if (i % 1000 == 0) {
Thread.sleep(1);
}
}
System.out.println("对象分配完成");
}
}
// 运行参数示例：
// java -Xmx4g -Xms4g -XX:+UseShenandoahGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps ShenandoahExample这个示例与 G1 和 ZGC 的示例类似，但使用了 Shenandoah 垃圾收集器。可以通过观察 GC 日志来分析 Shenandoah 的行为。
4.5 Shenandoah 的适用场景：
- 需要极低延迟的应用，例如金融交易系统、实时游戏。
- 大堆内存的应用。
- 对 CPU 资源充足的应用。
4.6 Shenandoah 的调优建议：
- 监控 GC 日志： 通过 GC 日志分析 Shenandoah 的行为，例如 GC 的频率、停顿时间、堆内存的使用情况等。
- 调整并发 GC 线程数：
-XX:ConcGCThreads可以调整并发 GC 的线程数。 - 选择合适的启发式算法：
-XX:ShenandoahGCHeuristics可以设置 Shenandoah 的启发式算法。
5. G1、ZGC 和 Shenandoah 的对比
| 特性 | G1 | ZGC | Shenandoah |
|---|---|---|---|
| 停顿时间 | 可预测的停顿时间，通常在几百毫秒以内。 | 亚毫秒级停顿。 | 亚毫秒级停顿。 |
| 吞吐量 | 相对较高。 | 相对较低。 | 相对较低。 |
| 堆内存大小 | 适用于中大型堆内存（几 GB 到几十 GB）。 | 适用于大型堆内存（TB 级别）。 | 适用于大型堆内存。 |
| 并发性 | 部分并发。 | 几乎完全并发。 | 几乎完全并发。 |
| 内存碎片 | 可以进行空间整合，避免内存碎片。 | 具有良好的内存碎片管理能力。 | 具有良好的内存碎片管理能力。 |
| 适用场景 | 需要低延迟和高吞吐量的应用，例如在线交易系统、实时数据处理系统。 | 需要极低延迟的应用，例如金融交易系统、实时游戏。 | 需要极低延迟的应用。 |
| 复杂度 | 相对简单。 | 复杂。 | 复杂。 |
| 额外开销 | 需要一定的 CPU 资源进行垃圾回收。 | 需要较多的 CPU 资源进行垃圾回收。 | 需要较多的 CPU 资源进行垃圾回收。 |
| 发展程度 | 较为成熟，应用广泛。 | 相对较新，仍在发展中。 | 相对较新，仍在发展中。 |
6. 如何选择合适的 GC 算法
选择合适的 GC 算法需要根据应用程序的实际需求进行权衡。
- 如果应用程序对延迟非常敏感，且堆内存较大，可以考虑使用 ZGC 或 Shenandoah。
- 如果应用程序对吞吐量要求较高，且对延迟的要求不是特别严格，可以考虑使用 G1。
- 如果应用程序的堆内存较小，且对性能的要求不高，可以使用 Serial 或 Parallel 收集器。
在选择 GC 算法时，还需要考虑以下因素：
- 硬件资源： ZGC 和 Shenandoah 需要较多的 CPU 资源。
- 应用程序的负载模式： 不同的负载模式对 GC 的性能有不同的影响。
- JVM 的版本： 不同的 JVM 版本对 GC 算法的支持程度不同。
建议在生产环境中进行充分的测试，以确定最适合应用程序的 GC 算法。
7. 总结：根据需求选择，持续监控调优
选择合适的 GC 算法需要根据应用场景和性能指标进行权衡。G1、ZGC 和 Shenandoah 各有优缺点，需要根据实际情况进行选择。在选择后，还需要通过监控 GC 日志和性能指标，持续进行调优，以达到最佳的性能。