垃圾收集器（Garbage Collector，简称GC）是Java虚拟机（JVM）中用于自动管理内存的一种机制。它的主要作用是回收不再使用的对象，从而释放内存空间，避免内存泄漏，并尽量减少对应用程序的影响。

在JVM中，常见的垃圾收集器有CMS（Concurrent Mark-Sweep）、G1（Garbage First）和ZGC（Z Garbage Collector）。这三者的设计原理各有特点，适用于不同的应用场景。以下是对这三种垃圾收集器设计原理的详细解析，并通过例子帮助理解。

1. CMS（Concurrent Mark-Sweep）

设计原理：

  • 目标： CMS收集器的主要目标是减少垃圾收集停顿时间，特别是在应用程序的响应时间要求较高的情况下（如在线应用或大规模的Web应用）。
  • 工作流程：
    1. Initial Mark（初始标记）： 标记根对象，并标记从根对象可达的所有对象。此过程需要“Stop-the-World”停顿，即暂停应用程序的执行。时间较短，通常是几毫秒。
    2. Concurrent Mark（并发标记）： 在应用程序继续运行的同时，JVM开始扫描堆中对象的引用关系，标记存活的对象。此阶段是并发执行的，因此应用程序不会停顿。
    3. Concurrent Preclean（并发预清理）： 该阶段在并发标记过程中进行垃圾回收，并清理一些不再使用的对象。
    4. Remark（标记重扫）： 与“Initial Mark”类似，完成标记漏掉的对象。此阶段会有较长的“Stop-the-World”停顿。
    5. Sweep（清除）： 清理未被标记的对象，释放内存空间。
  • 特点：
    • 优点：减少了“Stop-the-World”停顿时间，适用于对响应时间有严格要求的应用。
    • 缺点：有时可能出现“浮动垃圾”（对象还在被引用时就被回收），导致停顿时间无法完全避免。此外，CMS在JVM中存在性能瓶颈，可能无法满足大内存应用的需求。

例子： 假设有一个在线电商平台，当用户在购物时，如果垃圾收集器停顿时间过长，用户可能会感知到延迟。CMS通过减少停顿时间，使得应用在垃圾收集过程中可以继续响应用户的操作，提升用户体验。

2. G1（Garbage First）

设计原理：

  • 目标： G1垃圾收集器设计的目标是尽可能平衡停顿时间和吞吐量，适用于需要低延迟和大内存的应用。G1收集器将堆分成多个区域（Region），并可以精细控制每个区域的垃圾收集行为。
  • 工作流程：
    1. Initial Mark（初始标记）： 标记根对象和直接可达的对象。这一阶段是“Stop-the-World”停顿，时间较短。
    2. Root Region Scan（根区域扫描）： 扫描每个Region中的根对象。
    3. Young GC（年轻代垃圾收集）： 对年轻代区域进行垃圾收集。此阶段也会有停顿。
    4. Mixed GC（混合垃圾收集）： G1会在收集过程中针对各个区域进行清理，标记和回收内存，这个过程是通过多个小的并发回收来减少停顿时间。
    5. Final Remark（最终标记）： 在回收过程中，标记那些在混合过程中未能标记到的对象，产生停顿。
  • 特点：
    • 优点：G1相比于CMS在大内存应用中表现更好，且可通过-XX:MaxGCPauseMillis参数控制最大停顿时间。
    • 缺点：虽然G1的设计目标是减少停顿时间，但在内存较小或配置不合理的情况下，可能会产生较长的停顿。

例子： 假设有一个高频交易平台，要求在交易过程中尽量减少延迟和停顿。G1通过对堆的精细划分和多个小区域的并发回收，使得交易系统在高并发环境下能稳定运行，并且能够控制GC停顿时间，使得系统对外表现更加流畅。

3. ZGC（Z Garbage Collector）

设计原理：

  • 目标： ZGC是一个低延迟垃圾收集器，专为大内存和对停顿时间要求极低的应用设计。ZGC的主要目标是确保垃圾收集的停顿时间不会超过几毫秒，即使在处理TB级别的内存时，也能保持低停顿。
  • 工作流程：
    1. Concurrent Marking（并发标记）： 与G1类似，ZGC会在应用程序运行的同时并发标记存活对象。
    2. Concurrent Relocation（并发重定位）： ZGC通过并发的方式进行对象的整理和搬迁，极大减少了“Stop-the-World”停顿的时间。
    3. Coloring（着色）： 对象根据其引用关系进行着色，利用颜色标识来避免阻塞应用程序线程，达到低停顿的效果。
    4. Final Cleanup（最终清理）： 在垃圾收集的最后阶段，ZGC会进行清理，移除不再使用的对象。
  • 特点：
    • 优点：能够处理非常大的堆内存，并且将停顿时间控制在几毫秒以内。ZGC几乎是完全并发的，停顿时间极低，适用于低延迟、高吞吐量的大规模应用。
    • 缺点：ZGC目前在JVM中的实现较新，尚未像G1那样得到广泛的应用和支持。

例子： 假设有一个视频流媒体平台，其处理的视频文件非常大，且对系统的响应时间要求极为严格。ZGC能够在处理大量视频数据时，保持较低的停顿时间，确保用户在观看视频时不会出现卡顿或延迟现象。

总结对比：

特性CMSG1ZGC
停顿时间较短，适用于低延迟需求可配置，适合大内存应用极低，适合超大内存和低延迟需求
内存管理标记-清除分区管理，细粒度控制基于着色的并发管理
性能对大堆内存支持一般性能稳定，适合大堆极其高效，适合TB级别内存
应用场景高响应要求的应用大内存和低停顿应用大内存、低延迟、高吞吐量

这三种垃圾收集器的选择需要根据应用的具体需求来定。对于大部分中小型应用，CMS和G1已经足够，而对于需要超低延迟和处理大内存的应用，ZGC则是更好的选择。