1. 引言
本篇文章将带你了解 Java 内存管理的基本问题，以及为什么我们需要不断寻找更优的垃圾回收方式。我们将重点介绍 Java 中新引入的一个实验性垃圾收集器 —— Shenandoah，并与其他垃圾收集器进行比较。
2. 垃圾收集中的挑战
垃圾收集器（GC）是 JVM 等运行时系统提供的自动内存管理机制，负责程序运行时的内存分配与回收。常见的垃圾收集算法包括引用计数（Reference Counting）、标记-清除（Mark-Sweep）、标记-整理（Mark-Compact）以及复制算法（Copying）。
2.1. 垃圾收集器的设计考量
根据所采用的算法，垃圾收集器可以分为两类：
- Stop-The-World（STW）模式：在用户程序暂停时执行回收，优点是吞吐量高，缺点是延迟大。
- 并发模式：与用户程序并发执行，优点是延迟低，但可能牺牲部分吞吐量。
现代收集器通常采用混合策略，比如将堆划分为年轻代和老年代，年轻代使用 STW 回收，老年代采用并发或增量回收来减少暂停时间。
然而，理想中的垃圾收集器应当具备低延迟、高吞吐量，并在不同堆大小下保持可预测的行为。这正是 Java GC 持续演进的动力所在。
2.2. Java 中现有的垃圾收集器
一些传统的垃圾收集器包括：
Serial 和 Parallel 收集器：采用分代策略，年轻代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法：
✅ 吞吐量高
❌ 存在较长的 STW 暂停CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：Java 1.4 引入，是并发、低暂停的分代收集器，年轻代使用复制算法，老年代使用标记-清除算法：
✅ 并发执行，暂停时间短
❌ CPU 占用高、暂停时间仍不可控、不适用于大于 4GB 的堆G1（Garbage First）收集器：Java 7 引入，用于替代 CMS，是一种并发、增量整理、低暂停的分代收集器：
✅ 基于 Region 的结构，暂停时间更可预测
❌ 仍存在暂停，且调优复杂
随着对更低延迟的追求，JVM 引入了多个实验性收集器，如 ZGC、Epsilon 和本文重点介绍的 Shenandoah。
3. Shenandoah 垃圾收集器
Shenandoah 是一个从 Java 12 开始引入的实验性收集器，定位为延迟优先型 GC。它通过将大部分 GC 工作与用户程序并发执行，来大幅降低暂停时间。
✅ 无论堆大小如何，都能提供一致的低暂停时间
❌ 实验性，需手动启用
3.1. 堆结构
Shenandoah 与 G1 类似，采用 Region 化堆结构，将堆划分为多个大小相等的区域：
⚠️ 与 G1 不同的是，Shenandoah 不区分代（年轻代/老年代），因此每次 GC 都需遍历整个堆，标记所有存活对象。
3.2. 对象布局
Java 中的对象不仅包含数据字段，还包括元数据，如对象头（Header）和标记字（Mark Word）：
Shenandoah 在对象布局中新增了一个字段：Brooks Pointer（间接指针），用于支持并发对象移动，避免更新所有引用。
3.3. 屏障机制（Barriers）
并发 GC 的核心难点在于：GC 与用户程序同时运行时，如何保证堆的正确性。Shenandoah 使用多种屏障机制来拦截堆访问：
主要包括：
- ✅ SATB 屏障（用于标记阶段）
- ✅ Read Barrier（读屏障）
- ✅ Write Barrier（写屏障）
这些屏障虽然增加了开销，但确保了 GC 的正确性和并发性。
3.4. 模式、启发式策略与失败模式
模式（Modes）：定义 Shenandoah 的运行方式，如使用哪种屏障。默认为
normal/SATB。启发式策略（Heuristics）：决定何时触发 GC，如
adaptive（默认）、aggressive等。失败模式（Failure Modes）：当 GC 跟不上分配速度时，会触发降级策略，如：
- ✅ Pacing（限速）
- ⚠️ Degenerated GC（退化为 STW）
- ❌ Full GC（最坏情况）
4. Shenandoah 收集阶段详解
Shenandoah 的 GC 周期主要分为三个阶段：标记（Mark）、疏散（Evacuate）和引用更新（Update References）。
4.1. 标记阶段（Marking）
标记阶段用于识别堆中所有存活对象。Shenandoah 使用三色标记法（White/Grey/Black）：
为了支持并发标记，Shenandoah 使用 SATB 算法，通过 SATB 屏障维护一致性视图。
📌 两个 STW 点：
init-mark：扫描根集final-mark：处理队列、重扫根集、准备回收集
4.2. 清理与疏散阶段（Cleanup & Evacuation）
标记完成后，无存活对象的 Region 被清理。接着，将回收集中存活对象移动到其他 Region，以减少内存碎片。
Shenandoah 通过 CAS 操作更新 Brooks Pointer，将对象从 from-space 指向 to-space，实现并发移动。
📌 读写屏障用于维护 to-space 不变性，确保用户程序访问的是已迁移的副本。
4.3. 引用更新阶段（Reference Update）
该阶段遍历整个堆，将所有指向已移动对象的引用更新为 to-space 版本：
📌 大部分工作并发执行，仅在 init-update-refs 和 final-update-refs 时短暂 STW。
5. 与其他实验性收集器的比较
5.1. ZGC（Z Garbage Collector）
- ✅ Java 11 引入，单代、低延迟、支持 TB 级堆
- ✅ 使用 Load Barrier 和指针染色技术
- ⚠️ 调优选项相对较少
- 🔍 与 Shenandoah 目标相似，但 Shenandoah 更灵活
5.2. Epsilon GC
- ✅ Java 11 引入，无 GC 功能，只分配不回收
- ✅ 适用于内存使用可控、追求极致性能的场景
- ❌ 堆满即崩溃
- 🔍 与 Shenandoah 目标完全不同，主要用于基准测试
6. 总结
本文介绍了 Java 中垃圾收集的基本原理与挑战，并深入解析了 Shenandoah 收集器的设计思路与实现机制。与其他实验性收集器相比，Shenandoah 在低延迟与并发性方面表现突出，但作为实验性特性，仍需谨慎使用。
📌 G1 仍是默认收集器，但 Shenandoah、ZGC 等为低延迟场景提供了更多选择。
📌 不建议将它们视为高吞吐收集器的直接替代品，需根据实际业务场景评估。