【Java】【JVM】垃圾回收深度解析：G1/ZGC/Shenandoah原理、日志分析与STW优化

JVM垃圾回收深度解析：G1/ZGC/Shenandoah原理、日志分析与STW优化

本文深入剖析JVM三大现代垃圾回收器，提供生产级调优案例，帮助你将STW停顿从秒级降至毫秒级。

一、算法原理深度剖析

1.1 G1（Garbage First）算法原理

设计目标：平衡吞吐量与停顿时间，可预测的停顿（<200ms）

堆内存布局：

┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │ G1 Heap（按Region组织） │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │Eden│ │Eden│ │Survivor│ │Survivor│ │Old│ │Humongous│ │ │ │Region│ │Region│ │Region│ │Region│ │Region│ │Region│ │ │ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │ │ (Young Generation) (Tenured Generation) │ └─────────────────────────────────────────────────────┘

• Region：大小1MB-32MB（2的幂），堆被划分为2048个Region
• Humongous Region：存储大对象（>Region 50%），直接分配到老年代

回收过程（Mixed GC）：

初始标记（Initial Mark）：

• 标记GC Roots直接可达对象
• STW，耗时极短（<1ms）
• 复用Young GC的STW

并发标记（Concurrent Mark）：

• 从GC Roots遍历整个堆图
• 并发执行，标记存活对象
• 使用SATB（Snapshot-At-The-Beginning）算法解决浮动垃圾

最终标记（Final Mark）：

• STW，处理SATB缓冲区
• 引用处理（Reference Processing）

筛选回收（Evacuation）：

• STW，复制存活对象到新的Region
• 优先回收垃圾最多的Region（Garbage First名称由来）
• 可通过-XX:MaxGCPauseMillis=100控制

核心参数：

# 启用G1（JDK 9+默认）-XX:+UseG1GC-Xmx16g-Xms16g# 目标停顿时间（默认200ms，调优关键）-XX:MaxGCPauseMillis=100# 并发线程数（建议CPU核数50%）-XX:ConcGCThreads=4# 触发Mixed GC的堆占用阈值（默认45%）-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=35# 大对象阈值（避免Humongous对象）-XX:G1HeapRegionSize=16m-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=85

1.2 ZGC（Z Garbage Collector）算法原理

设计目标：停顿时间<1ms，堆大小从8MB到16TB

核心创新：

• 染色指针（Colored Pointers）：在指针中存储元数据，减少内存屏障
• 读屏障（Load Barrier）：标记阶段在对象访问时触发
• 并发整理：所有GC阶段（标记/转移/重映射）均可并发

内存布局：

┌─────────────────────────────────────────┐ │ ZGC Virtual Address Space │ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ │ │ Small │ │ Medium │ │ Large │ │ │ │ (2MB) │ │ (32MB) │ │ (>32MB) │ │ │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │ □ 多映射（Multi-Mapping）：同一物理内存映射到不同虚拟地址 └─────────────────────────────────────────┘

回收周期：

1. 标记（Mark）：并发标记存活对象，STW<1ms
2. 转移（Relocate）：并发复制对象到新Page，STW<1ms
3. 重映射（Remap）：更新指针引用，并发执行

性能突破：

• 停顿时间不随堆增大而增长：16GB和16TB堆停顿时间相同
• 无分代设计：简化逻辑，但吞吐量略低于G1

生产参数：

# JDK 15+正式可用，JDK 21+推荐-XX:+UseZGC-Xmx64g-Xms64g# JDK 21分代ZGC（性能更优）-XX:+UseZGC-XX:+ZGenerational# 并发线程数（默认CPU核数1/4，可手动指定）-XX:ConcGCThreads=8# 诊断参数-Xlog:gc*:file=/tmp/zgc.log:time,level,tags:filecount=10,filesize=100M

1.3 Shenandoah算法原理

设计目标：低停顿（10-50ms），适用于大堆

核心机制：

• Brooks Forwarding Pointer：每个对象头增加转发指针，实现并发复制
• 读屏障 + 写屏障：保证对象访问一致性

回收阶段：

Init Mark → Concurrent Mark → Final Mark → Concurrent Cleanup → Concurrent Evacuation → Final Update Refs → Concurrent Update Refs

与ZGC对比：

• 吞吐量：Shenandoah > ZGC（约高5-10%）
• 停顿时间：ZGC < Shenandoah（ZGC可达亚毫秒）
• 社区支持：ZGC（Oracle官方）> Shenandoah（RedHat）

生产参数：

# JDK 12+实验，JDK 15+生产就绪-XX:+UseShenandoahGC-Xmx32g# 目标停顿时间（默认15ms）-XX:ShenandoahGCHeuristics=adaptive-XX:ShenandoahMinFreeThreshold=10

二、GC日志深度分析

2.1 日志开启方式

# G1日志配置（JDK 9+）-Xlog:gc*:file=/tmp/gc.log:time,level,tags:filecount=10,filesize=100M# ZGC日志配置（JDK 15+）-Xlog:gc*,gc+ref*,gc+reloc*,gc+heap*:file=/tmp/zgc.log:time,level,tags:filecount=10,filesize=100M# Shenandoah日志-Xlog:gc*,gc+stats:file=/tmp/shenandoah.log:time,level,tags

2.2 G1日志解读

关键日志样例：

[2024-12-19T10:30:00.123+0800][gc,start ] GC(12) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) [2024-12-19T10:30:00.124+0800][gc,task ] GC(12) Using 4 workers of 8 for evacuation [2024-12-19T10:30:00.134+0800][gc,phases ] GC(12) Pre Evacuate Collection Set: 0.2ms [2024-12-19T10:30:00.135+0800][gc,phases ] GC(12) Merge Heap Roots: 0.3ms [2024-12-19T10:30:00.136+0800][gc,phases ] GC(12) Evacuate Collection Set: 8.5ms ← STW核心耗时 [2024-12-19T10:30:00.137+0800][gc,phases ] GC(12) Post Evacuate Collection Set: 1.2ms [2024-12-19T10:30:00.138+0800][gc,phases ] GC(12) Other: 0.5ms [2024-12-19T10:30:00.139+0800][gc,heap ] GC(12) Eden: 12288.0M(12288.0M)->0.0B(13312.0M) [2024-12-19T10:30:00.140+0800][gc,heap ] GC(12) Survivors: 1024.0M->1536.0M [2024-12-19T10:30:00.141+0800][gc,heap ] GC(12) Old: 20480.0M(20480.0M)->20480.0M(20480.0M) [2024-12-19T10:30:00.142+0800][gc,metaspace] GC(12) Metaspace: 256M->256M(512M) [2024-12-19T10:30:00.143+0800][gc ] GC(12) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 13312M->22016M(32768M) 10.7ms ← 总STW时间

关键指标：

• Eden区：从12288M→0B，年轻代全部回收
• Survivors：从1024M→1536M，部分对象晋升
• Old区：20480M保持不变（Mixed GC会处理）
• STW时间：10.7ms（符合-XX:MaxGCPauseMillis=100）

问题诊断：

• STW > 100ms：检查Evacuate Collection Set耗时，可能存活对象过多
• Old区持续增长：触发Mixed GC阈值，调整-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent

2.3 ZGC日志解读

关键日志样例：

[2024-12-19T10:30:00.123+0800][gc,phases] GC(123) Pause Mark Start 0.5ms ← 标记开始STW [2024-12-19T10:30:00.124+0800][gc,phases] GC(123) Concurrent Mark 15.2ms ← 并发标记 [2024-12-19T10:30:00.125+0800][gc,phases] GC(123) Pause Mark End 0.8ms ← 标记结束STW [2024-12-19T10:30:00.126+0800][gc,phases] GC(123) Concurrent Relocate 20.5ms ← 并发转移 [2024-12-19T10:30:00.127+0800][gc,phases] GC(123) Pause Relocate Start 0.3ms [2024-12-19T10:30:00.128+0800][gc ] GC(123) Garbage Collection (Warmup) 65536M(65536M)->20480M(65536M) 37.3ms

核心指标：

• Pause Mark Start/End：两次STW均<1ms
• Concurrent阶段：标记和转移并行执行
• 堆大小变化：65536M→20480M，回收40GB垃圾

问题诊断：

• STW > 1ms：检查系统负载，可能CPU资源不足
• Concurrent耗时过长：调整-XX:ConcGCThreads增加并发线程

2.4 日志分析工具

GCEasy（在线工具）：

# 上传GC日志到 https://gceasy.io/# 自动生成报告：吞吐量、延迟、内存泄漏分析

GCViewer（开源工具）：

java-jargcviewer.jar g1.log# 可视化GC频率、停顿时间、内存趋势

IntelliJ JVM Debugger Memory View：

• Debug时实时查看对象内存占用
• 追踪对象引用链

三、生产调优案例

案例1：电商大促G1调优（减少STW 90%）

背景：JDK 8 + ParallelGC，Full GC停顿5秒，高峰期频繁触发

优化前：

-Xmx32g-Xms32g-XX:+UseParallelGC# GC日志：Full GC 5秒，Young GC 500ms，每小时触发10次Full GC

调优步骤：

Step 1：切换到G1

-Xmx32g-Xms32g-XX:+UseG1GC-XX:MaxGCPauseMillis=100# STW降至200ms，但仍有Full GC

Step 2：调整Mixed GC触发阈值

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=30# 默认45%，提前触发Mixed GC-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=85# 回收存活率<85%的Old Region-XX:G1MixedGCCountTarget=8# 8次Mixed GC完成回收

Step 3：优化大对象处理

-XX:G1HeapRegionSize=16m# 增大Region，减少Humongous对象-XX:G1ReservePercent=15# 预留15%空间防止晋升失败

Step 4：GC日志验证

# 优化后日志 [gc] GC(1024) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause) 24576M->18432M(32768M) 45ms [gc] GC(1025) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause) 22528M->17408M(32768M) 38ms [gc] GC(1026) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation) 18432M->16384M(32768M) 52ms

• Young GC：50ms以内
• Mixed GC：40ms，无Full GC
• STW减少：从5秒→50ms，减少99%

案例2：金融交易ZGC调优（STW<1ms）

背景：低延迟交易系统，要求停顿<10ms，堆内存64GB

配置：

-Xmx64g-Xms64g-XX:+UseZGC-XX:ConcGCThreads=8

压力测试：

// 模拟高并发订单处理@BenchmarkpublicvoidprocessOrder(){byte[]data=newbyte[1024*10];// 生成临时对象// 业务逻辑}

优化结果：

# GC日志分析 [gc] GC(50142) Pause Mark Start 0.3ms [gc] GC(50142) Pause Mark End 0.5ms [gc] GC(50142) Garbage Collection (Allocation Rate) 61440M->20480M(65536M) 15.2ms # 指标 - 平均停顿：0.4ms - 99.9%停顿：<1ms - 吞吐量：98.5%（几乎无GC影响）

案例3：Shenandoah调优（吞吐量优先）

场景：大数据计算平台，堆128GB，要求吞吐>95%

配置：

-Xmx128g-XX:+UseShenandoahGC-XX:ShenandoahGCHeuristics=adaptive-XX:ParallelGCThreads=16

调优：

-XX:ShenandoahFreeThreshold=5# 当空闲Region<5%时触发GC-XX:ShenandoahGuaranteedGCInterval=600000# 每10分钟强制GC

结果：

• 停顿时间：15-30ms
• 吞吐量：96.2%
• GC周期：每5-8分钟一次

四、STW减少90%的核心策略

策略1：选择合适的GC

场景选择:通用Web应用:G1# 平衡吞吐与延迟低延迟(10ms):ZGC# 亚毫秒停顿大堆+高吞吐:Shenandoah# 停顿<50ms+高吞吐传统应用:ParallelGC# JDK 8遗留

策略2：减少对象分配

// 优化前：频繁创建临时对象Stringresult="";for(Useruser:users){result+=user.getName();// 创建大量String对象}// 优化后：重用对象StringBuildersb=newStringBuilder(1024);for(Useruser:users){sb.append(user.getName());}// 减少Young GC频率50%

策略3：调整GC线程数

# G1：并发线程=CPU核数50%-XX:ConcGCThreads=8# 16核CPU# ZGC：默认1/4，可手动增大-XX:ConcGCThreads=12# 避免GC线程过多导致CPU竞争

策略4：增大Region/HeapRegionSize

# 减少Humongous对象-XX:G1HeapRegionSize=16m# 默认根据堆自动计算# 效果：大对象判定阈值从Region的50%提升，减少Humongous分配

策略5：优化堆内存分配

# 设置合理的新生代比例-XX:G1NewSizePercent=30# 新生代最小比例（默认5%）-XX:G1MaxNewSizePercent=60# 新生代最大比例（默认60%）# 避免新生代过小导致频繁GC

策略6：使用Native Memory Tracking

-XX:NativeMemoryTracking=summary-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions-XX:+PrintNMTStatistics# 监控堆外内存（DirectByteBuffer），避免堆外OOM

策略7：预热与压测

# 应用启动后立即触发GC，预热堆空间java-XX:+UseG1GC-XX:G1ConcRefinementThreads=4-jarapp.jar&sleep30&&jcmd<pid>GC.run# 压测工具：JMH + GCProfiler

五、监控与告警

Prometheus + Grafana监控

JVM Exporter配置：

# docker-compose.ymljmx_exporter:image:sscaling/jmx-prometheus-exporterports:-"5556:5556"environment:JVM_OPTS:"-javaagent:/jmx_prometheus_javaagent.jar=5556:/config.yml"

Grafana大盘关键指标：

• GC停顿时间：rate(jvm_gc_pause_seconds_sum[5m])
• GC频率：rate(jvm_gc_pause_seconds_count[5m])
• 堆使用率：(jvm_memory_bytes_used / jvm_memory_bytes_max) * 100
• 告警阈值：停顿>100ms或频率>10次/分钟

自定义GC健康检查

@ComponentpublicclassGcHealthIndicatorimplementsHealthIndicator{@OverridepublicHealthhealth(){longtotalGcTime=ManagementFactory.getGarbageCollectorMXBeans().stream().mapToLong(GarbageCollectorMXBean::getCollectionTime).sum();if(totalGcTime>1000){// 1秒内GC时间超过1秒returnHealth.down().withDetail("gcTime",totalGcTime).build();}returnHealth.up().build();}}

总结

调优黄金法则

1. 监控先行：无监控不调优
2. 逐步调整：一次只改一个参数，对比效果
3. 压实验证：生产配置必须在压测环境验证
4. 日志留痕：保留调优前后的GC日志

三种GC选型决策树

需要停顿<1ms？ → 是 → ZGC ↓否 需要停顿<10ms且大堆？ → 是 → Shenandoah ↓否 通用场景 → G1

STW减少90%的关键

• 选对GC：ZGC可减少99%停顿
• 减少分配：对象池、StringBuilder重用
• 优化参数：MaxGCPauseMillis、InitiatingHeapOccupancyPercent
• 监控闭环：Prometheus + AlertManager实时告警

掌握GC调优是后端专家的分水岭，需要理论与实践结合，持续监控验证。