JVM GC 算法與收集器全景圖：從 Copying 到 G1 的演進與選型指南

垃圾收集（GC）是 JVM 自動記憶體管理的核心。本文系統梳理三大經典算法、分代收集理論、主流收集器組合，重點剖析 G1 收集器原理與調優參數，助你根據應用特徵選擇最優 GC 方案。

一、三大基礎算法

二、分代收集理論

核心假設：絕大多數對象「朝生夕死」，只有少量長期存活。

• 新生代：對象死亡率高 → 複製算法（Eden + 兩個 Survivor，默認 8:1:1）。
• 老年代：存活率高、無額外空間擔保 → 標記-清除/整理。

三、G1 收集器：面向未來的區域化分代收集

目標：替代 CMS，兼顧吞吐與低延遲，支援可預測停頓模型。

核心特性

• 區域化堆：堆劃分為大小相等的 Region（1-32MB），新生代/老年代不再物理連續，而是 Region 集合。
• 標記-整理：整體無碎片，大對象分配不易觸發 Full GC。
• 可預測停頓：用戶指定 -XX:MaxGCPauseMillis=N，G1 動態調整回收集合（CSet）大小以滿足目標。
• 混合收集：Young GC 同時回收部分老年代 Region（按活性排序），避免 Full GC。

G1 完整收集週期

1. 初始標記 (Initial Mark)：STW，標記 GC Roots 直接可達對象，伴隨 Young GC。GC pause (young) (initial-mark)
2. Root Region 掃描：掃描 Survivor→Old 的引用，必須在下次 Young GC 前完成。
3. 並發標記 (Concurrent Marking)：與應用並發，掃描整個堆，計算 Region 活性。發現全垃圾 Region 立即回收。
4. 再標記 (Remark)：STW，處理並發階段產生的新垃圾，採用 SATB（原始快照）算法比 CMS 更快。
5. 清理/複製 (Cleanup/Copy)：STW，多線程將 CSet 存活對象複製到新 Region，清理 Remembered Sets，回收 Region 歸入空閒鏈表。

四、主流收集器組合選型表

五、實戰調優建議

1. 小堆（<4GB）、吞吐優先：-XX:+UseParallelGC
2. 中堆（4-8GB）、延遲敏感：-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100
3. 大堆（>8GB）、嚴格 SLA：-XX:+UseZGC（JDK 11+）或 -XX:+UseShenandoahGC
4. 避免顯式 System.gc()：信任收集器決策，必要時用 -XX:+DisableExplicitGC。
5. 監控指標：GC 頻率、停頓分佈、老年代增長率、Full GC 觸發原因（-Xlog:gc*）。

參考資源

• 《深入理解 Java 虛擬機》第 3 版 - 周志明
• Oracle GC Tuning Guide
• OpenJDK G1GC 源碼與設計文檔