CMS、G1以及ZGC对比--JVM基础(12)
一、JVM回收器大比拼：CMS、G1与ZGC深度剖析
在Java的广袤宇宙中，JVM（Java虚拟机）是每位开发者不可或缺的伙伴。而垃圾回收器，作为JVM的“清洁工”，更是决定了我们应用的性能和响应速度。今天，就让我们一起走进这三位JVM回收器——CMS、G1与ZGC的世界，深度剖析它们的实现原理，看看它们是如何为我们的应用保驾护航
（一）、CMS：并发的优雅舞者
CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器，如同一位优雅的舞者，在不影响应用正常运行的同时，默默地进行着垃圾的清理工作。它的实现原理主要包括以下几个步骤：
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初始标记（Initial Mark）：CMS首先会暂停所有的工作线程，进行根对象的标记。由于这个阶段只是标记了根对象，所以耗时较短。
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并发标记（Concurrent Marking）：在初始标记之后，CMS会启动一个并发标记线程，与应用线程一起运行，标记出所有可达的对象。
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重新标记（Remark）：由于并发标记阶段可能会有新的垃圾产生，所以CMS需要再次暂停所有工作线程，对新增的垃圾进行标记。
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并发清除（Concurrent Sweeping）：最后，CMS会启动一个并发清除线程，与应用线程一起运行，清除未被标记的对象，释放内存。
CMS的优点在于低延迟，但缺点也很明显：它会产生内存碎片，并且在垃圾回收过程中会占用一定的CPU资源。
（二）、G1：分而治之的全能战士
G1（Garbage-First）垃圾回收器，如同一位全能战士，采用了分而治之的策略，将整个堆内存划分为多个大小相等的区域（Region），并根据每个区域的垃圾量来决定回收的优先级。它的实现原理主要包括以下几个步骤：
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初始标记（Initial Mark）：G1会暂停所有的工作线程，记录GC Roots的直接引用。
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并发标记（Concurrent Marking）：与CMS类似，G1也会启动一个并发标记线程，与应用线程一起运行，标记出所有可达的对象。
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最终标记（Final Marking）：在并发标记之后，G1会再次暂停所有工作线程，进行最终标记，以确保没有遗漏的对象。
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筛选回收（Evacuation Pause）：G1会根据每个区域的垃圾量来决定回收的优先级，优先回收垃圾最多的区域。在回收过程中，G1会暂停工作线程，将存活的对象复制到其他区域，然后清理当前区域。
G1的优点在于可以预测停顿时间，并且支持多核处理器，提高了吞吐量。但缺点是在回收过程中需要移动对象，可能会产生额外的开销。
（三）、ZGC：极速体验的领跑者
ZGC是Java 11及以后版本中引入的一款全新垃圾回收器，它以极低的停顿时间和可扩展性为设计目标。它的实现原理主要包括以下几个特点：
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着色指针（Colored Pointers）：ZGC使用着色指针来标记对象的状态，无需传统的元数据表或卡表，从而减少了内存占用和访问开销。
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读屏障（Read Barrier）：ZGC在对象访问时插入读屏障，以确保在并发回收过程中不会访问到已被回收的内存。
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并发处理：ZGC采用了大量的并发技术，如并发标记、并发重置和并发加载等，以减少停顿时间并提高吞吐量。
ZGC的优点在于极低的停顿时间和可扩展性，适用于处理大规模数据和长时间运行的应用。但缺点是目前还在不断发展和完善中，可能需要一定的时间来适应和优化。
【ZGC补充】
尽管ZGC（Z Garbage Collector）是一个强大且高效的垃圾收集器，但在特定场景下，使用ZGC可能并不是最佳选择。尤其像金融交易等高可用的系统当前谨慎使用ZGC
实验性质：尽管ZGC在JDK 15中已经从实验性状态毕业，成为正式支持的垃圾收集器，但在某些环境或应用程序中，由于其较新的特性和可能的未完全优化的行为，一些用户可能仍然对其持谨慎态度。
资源消耗：ZGC为了实现其低延迟和可扩展性的目标，可能会消耗更多的CPU和内存资源。这可能会导致在某些资源受限的环境中，使用ZGC可能会降低应用程序的整体性能。
社区支持：虽然ZGC已经得到了Oracle和其他Java社区的支持，但与其他更成熟的垃圾收集器相比，其社区支持可能仍然有限。这可能会在使用ZGC时遇到问题时，难以获得及时的帮助和解决方案。
二、重要知识点
【CMS、G1与ZGC对比总结：面试常见问题与关键点】
- CMS：并发标记清扫
重点：
- CMS的工作流程是什么？
- CMS的主要优点和缺点是什么？
关键点：
- 工作流程：CMS采用标记-清除算法，分为初始标记、并发标记、重新标记和并发清除四个阶段。在并发标记和并发清除阶段，应用程序和GC线程可以并发执行，减少了停顿时间。
- 优点：低延迟，适用于对响应时间要求高的应用。
- 缺点：可能产生内存碎片，且并发标记阶段需要消耗一定的CPU资源。
- G1：分代收集与区域化
面试点：
- G1为什么叫“Garbage First”？
- G1与CMS的主要区别是什么？
关键点：
- 名称由来：G1中的“Garbage First”意味着它优先处理垃圾最多的区域，以达到更高效的垃圾回收。
- 与CMS的区别：G1采用分代收集与区域化设计，将堆内存划分为多个大小相等的区域（Region），并同时支持年轻代和老年代的回收。G1还引入了可预测的停顿时间模型，让开发者可以设置期望的GC停顿时间。
- 优点：可预测停顿时间，适用于对吞吐量和停顿时间都有要求的场景。
- ZGC：低延迟垃圾回收器
面试点：
- ZGC的主要设计目标是什么？
- ZGC是如何实现极低延迟的？
关键点：
- 设计目标：ZGC的主要设计目标是实现极低的GC停顿时间和可扩展性，适用于处理大规模数据和长时间运行的应用。
- 实现原理：ZGC采用了着色指针（Colored Pointers）和读屏障（Read Barrier）技术，在对象访问时进行检查，确保不会访问到已被回收的内存。同时，ZGC采用了大量的并发技术，如并发标记、并发重置和并发加载等，以减少停顿时间并提高吞吐量。
- 优点：极低的停顿时间和可扩展性，适用于对性能要求极高的场景。
三、总结提升
我们就从架构师的视角来对比一下CMS、G1和ZGC三款垃圾回收器，并探讨它们的设计思想如何为后续的架构设计提供借鉴。
- CMS：并发与低延迟的启示
启示一：并发处理的魅力
CMS通过并发标记和并发清除，实现了在垃圾回收过程中与应用线程并发执行，从而降低了GC的停顿时间。这种并发处理的思想，在架构设计中同样适用。在设计高并发系统时，我们可以考虑将某些耗时操作或计算任务异步化，通过多线程或分布式处理来提升系统的吞吐量和响应速度。
- G1：分代收集与可预测性的智慧
启示二：分而治之的策略
G1采用分代收集与区域化的设计，将堆内存划分为多个大小相等的区域（Region），并针对不同区域的特点进行不同的回收策略。这种分而治之的策略，为我们提供了在复杂系统中处理问题的新思路。在架构设计中，我们可以考虑将系统划分为多个模块或微服务，每个模块或微服务承担不同的职责，通过模块间的协作来实现整个系统的功能。这种模块化设计可以提高系统的可维护性和可扩展性。
启示三：可预测性的重要性
G1引入了可预测的停顿时间模型，让开发者可以设置期望的GC停顿时间。这种可预测性对于系统的稳定性和用户体验至关重要。在架构设计中，我们也需要关注系统的可预测性。通过合理的资源分配、负载均衡和限流策略，确保系统在高负载下仍能保持稳定的性能和响应速度。同时，通过监控和日志分析等手段，及时发现和解决问题，提高系统的可维护性和可靠性。
四、思考题：
在设计一个高性能、高可用的Java企业级应用时，你需要考虑选择适合的垃圾回收器。假设你的应用具有以下特点：
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需要处理大量的在线请求，对响应时间有严格要求。
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系统中包含大量的长生命周期对象，如缓存数据。
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应用部署在具有多个CPU核心的高性能服务器上，并且未来可能扩展到更多服务器。
答案提示
选择理由：
- CMS适用于需要低延迟的应用，因为它可以与应用线程并发执行，减少停顿时间。但是，CMS可能产生内存碎片，并且在高负载下可能因为并发标记的CPU资源竞争而导致性能下降。
- G1适用于需要可预测停顿时间和处理大量长生命周期对象的应用。G1采用分代收集和区域化设计，可以更有效地管理内存，并减少内存碎片。此外，G1还支持设置期望的GC停顿时间，有助于满足响应时间要求。
- ZGC适用于需要极低停顿时间和可扩展性的应用。然而，ZGC相对较新，可能还需要在生产环境中进行更多的验证和调优。
考虑到应用的特点和对响应时间的严格要求，G1可能是一个更合适的选择。