浅析Java虚拟机中的ZGC

引言

为什么需要垃圾回收（Garbage Collection）

垃圾回收是Java开发中的关键机制，负责自动管理内存，防止内存泄漏，提高开发效率和应用程序的稳定性。

Java中主要的垃圾回收方法

1. 标记-清除算法（Mark and Sweep）： 这是最早的垃圾回收算法之一。它首先标记所有活动对象，然后清除未标记的对象。缺点是会产生内存碎片。
2. 复制算法（Copying）： 将堆分为两个区域，每次只使用其中一个，将存活对象从一个区域复制到另一个区域，然后清除原区域中的所有对象。这减少了内存碎片，但需要额外的内存空间。
3. 标记-整理算法（Mark and Compact）： 类似于标记-清除算法，但在清除后会将存活对象紧凑地移动到堆的一端，以减少内存碎片。
4. 分代算法（Generational）： 堆内存分为年轻代和老年代，大部分对象在年轻代中回收，年龄较大的对象会升级到老年代。年轻代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法或标记-清除算法。
5. 引用计数（Reference Counting）： 每个对象维护一个引用计数，当引用计数为零时，对象被回收。然而，它不能处理循环引用问题。
6. Java HotSpot VM的G1（Garbage-First）收集器： G1是一种分代垃圾回收器，它采用了多阶段的回收策略，可以在更短的停顿时间内实现高吞吐量。
7. Java HotSpot VM的ZGC（Z Garbage Collector）： ZGC是一种并发垃圾回收器，旨在提供低停顿时间和大内存支持。

每种垃圾回收方法都有其优点和缺点，选择合适的垃圾回收方法取决于应用程序的性能需求和内存特征。不同的垃圾回收器可以在不同的情况下提供更好的性能和响应时间。

几种垃圾回收机制的使用情况

1. CMS收集器（Concurrent Mark-Sweep Garbage Collector）： CMS收集器是一种并发垃圾回收器，适用于需要低停顿时间的应用程序。在JDK 8及之前的版本中，它是通过启用-XX:+UseConcMarkSweepGC选项来选择的。
2. G1收集器（Garbage-First Garbage Collector）： G1收集器是一种面向大堆内存的垃圾回收器，它在JDK 7中首次引入，在JDK 9及之后的版本中，G1成为了默认的垃圾回收器。
3. ZGC收集器（Z Garbage Collector）： ZGC是一种高度并发的垃圾回收器，旨在提供极低的停顿时间。它在JDK 11中首次引入，可以通过-XX:+UseZGC选项来启用。

为什么需要ZGC

G1垃圾收集器采用了部分区域回收的处理方式，有效解决了传统垃圾收集器中全堆扫描所带来的性能问题，极大地改善了在堆内存较大情况下的停顿时间。然而，随着硬件性能的不断提升，G1回收器也面临着极大的性能限制。尽管G1经过多个版本的优化和调优，已经接近极限，但仍然无法满足日益增长的机器内存需求。

说到底，G1的性能还是不能满足现阶段的硬件配置，G1的GC停顿时间相对较长。

1. 低停顿时间需求： 传统的垃圾回收器在进行全堆清理时可能导致较长的停顿时间，这对于需要高响应性和低延迟的应用程序是不可接受的。ZGC的设计目标之一是将停顿时间限制在10毫秒以内，以满足这些应用程序的需求。
2. 大内存支持： 随着应用程序的复杂性和数据量的增加，需要能够管理大内存的垃圾回收器。传统的垃圾回收器在处理大内存时可能会遇到性能问题，而ZGC旨在为大型内存提供高性能的解决方案。
3. 并发性： 随着多核处理器的普及，对于高度并发的垃圾回收器的需求也在增加。ZGC采用了高度并发的回收策略，几乎所有垃圾回收操作都可以与应用程序并发执行，以减少停顿时间。
4. 自适应性： ZGC具有自适应性，它可以根据应用程序的工作负载和内存使用模式自动调整自身的行为，无需手动调整垃圾回收器的参数。这使得ZGC在不同应用程序和不同工作负载下都能提供良好的性能。

总之，ZGC的引入是为了满足现代Java应用程序对大堆内存、低停顿时间和高并发性的需求。它提供了一种强大的垃圾回收器，可以在处理大型、高性能、实时应用程序时发挥重要作用，同时尽量减少停顿时间，提供更好的用户体验。这使得ZGC成为Java生态系统中的重要组成部分，特别是对于需要高度可扩展性和性能的应用程序。

ZGC为什么这么快

4.1、分代模型和分区模型

传统的垃圾回收器都采用分代的垃圾回收模型。新一代ZGC采用**分区模型（类似于G1），分为三种类型的分区（2MB、32MB、N*2MB）**在ZGC中，分区模型将整个堆内存分成多个连续的区域（或称为分区），每个区域的大小通常在几百兆字节到几个吉字节之间。这些区域可以包括年轻代、老年代以及其他一些特殊用途的区域。分区模型的主要目标是允许垃圾回收器以更精细的粒度管理内存，从而提高内存的使用效率和降低停顿时间。

?**低延迟：**ZGC的分区模型允许并发地处理内存分配和回收操作，从而减少了垃圾收集的停顿时间。相比之下，分代模型需要在不同代之间进行对象的复制或移动，可能会导致更长的停顿时间。

?**内存利用率高：**ZGC的分区模型可以动态地调整页的大小，以适应不同大小的对象。这样可以提高内存的利用率，减少内存碎片的产生。而分代模型中，不同代的内存空间是固定的，可能会导致内存碎片的问题。

?**可伸缩性：**ZGC的分区模型允许将堆内存划分为多个页区，并且每个页区都有独立的垃圾收集线程。这样可以实现垃圾收集的并行性，提高系统的可伸缩性和吞吐量。而分代模型中，不同代的垃圾收集是串行或并发-串行的，可能无法充分利用多核处理器的性能。

?**适应大内存堆：**ZGC的分区模型可以有效地管理大内存堆。它可以根据需要动态地增加或减少页的数量，以适应大内存堆的需求。而分代模型中，不同代的内存空间是固定的，无法有效地管理大内存堆。

4.2、GC标记信息位置的变化

传统垃圾回收器通过扫描堆中的对象（扫描堆空间是很慢的），根据对象头中的可达性标记信息，来确定对象是否应该被回收。

ZGC不直接依赖于对象头中的信息来进行垃圾回收决策，而是把GC信息存在内存引用地址上。GC时通过扫描栈上的内存引用指针来确定对象的引用关系和可达性，从而来判断对象是否应该被回收。

4.3、引用指针的变化-指针着色

在ZGC中，为了减少垃圾回收对应用程序的影响，采用了一种称为“指针着色”的技术。这种技术利用了64位指针的高位（通常是未使用的位）来存储关于对象的元信息，而不是单独维护这些信息。这样，ZGC可以在不增加额外内存开销的情况下，快速检查和更新对象的状态。

ZGC通过64位指针（64位操作系统才支持）的高位来标识对象的可达性，其中第44位到47位标识GC信息。

在染色指针中，高18位都是0暂未使用，剩余的46位实际上是能支持64TB的内存的，但是目前来说计算机内存空间还没这么大。于是剩余的46位中，高4位用来保存了4个标志位，低42位置才是用来保存对象的指针，所以ZGC最大可以管理的内存不超过4TB。

小结

ZGC（Z Garbage Collector）是Java虚拟机（JVM）中的一种垃圾回收机制，旨在为大内存应用程序提供低延迟的垃圾回收。以下是ZGC的一些主要应用和特点：

应用场景

1. 大内存应用：ZGC特别适用于需要管理大量内存的应用程序。它可以有效地管理几百MB到几TB的堆内存。
2. 需要低延迟的系统：在需要保持低延迟的系统（例如实时交易系统、高频交易平台、大型在线服务等）中，ZGC能够显著减少垃圾回收引起的停顿时间。
3. 云基础设施和微服务：对于运行在云环境或基于微服务架构的应用程序，ZGC提供了更好的性能和资源管理，有助于提高云基础设施的整体效率。

特点

1. 并行和并发：ZGC在执行大部分垃圾回收任务时能够并行和并发地工作，这意味着它可以在应用程序运行时进行垃圾回收，减少停顿时间。
2. 指针着色技术：ZGC使用指针着色技术，通过在指针的高位存储额外信息，来优化内存管理和减少内存开销。
3. 可伸缩性：ZGC被设计为可伸缩的垃圾回收器，无论是在小堆还是在非常大的堆上都能高效工作。
4. 低延迟：ZGC的主要优势是它可以实现极低的延迟，这对于需要快速响应的应用程序来说是非常重要的。
5. 可用性：随着Java版本的更新，ZGC的可用性和稳定性不断提升，成为更多Java应用程序的可行选择。

当前状态和未来发展

ZGC最初在OpenJDK 11中作为实验性功能引入，并在后续版本中不断发展。它在基准测试中展现出了有希望的性能提升，并吸引了低延迟和内存密集型应用开发者的关注。随着ZGC的成熟和稳定性提高，预计它将成为更多要求低延迟和可扩展性的Java应用程序的首选垃圾回收器。

参考文章

[https://juejin.cn/post/7322156804849352714?searchId=2024012215395565B476D862AE75E50833#heading-5](