学习笔记
ZGC垃圾收集器：原理、演进与优化实践
2025-04-21
JAVA
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目录

ZGC垃圾收集器：原理、演进与优化实践
ZGC概述与发展历程
核心架构与内存模型
基于Region的堆布局
分代与非分代模式
关键技术实现
染色指针（Colored Pointers）
并发处理与内存屏障
记忆集与SATB
ZGC的运作过程
性能调优与实践
关键配置参数
触发机制与停顿分析
优化建议
与传统GC的对比
未来发展与挑战
总结

ZGC垃圾收集器：原理、演进与优化实践

ZGC（Z Garbage Collector）是Java平台上一款革命性的低延迟垃圾收集器，由Oracle开发并逐步成为现代Java应用处理大内存堆和低延迟需求的首选解决方案。本文将全面剖析ZGC的核心原理、技术演进、关键特性以及实际调优策略，帮助开发者深入理解这一先进的垃圾收集技术。

ZGC概述与发展历程

ZGC最初作为实验性功能在JDK 11中引入（JEP 333），经过多个版本的迭代优化，到JDK 15时被宣布为生产就绪（Production Ready）。其设计目标是在任意堆内存大小下都能将垃圾收集停顿时间控制在10毫秒以内，同时尽可能减少对吞吐量的影响。

ZGC的发展历程体现了Java平台对低延迟垃圾收集的持续追求：

  • JDK 11：首次引入，支持最大4TB堆内存
  • JDK 15：提升至16TB堆内存支持，正式成为生产级功能
  • JDK 21：引入分代收集模式（JEP 439），显著提升效率
  • JDK 23：将分代模式设为默认（JEP 474），标志技术成熟

ZGC的名称中的"Z"并非缩写，而是向ZFS文件系统致敬，象征着这是一款革命性的、跨时代的产品。与传统的垃圾收集器不同，ZGC从设计之初就专注于解决大内存堆下的低延迟问题，采用了多项创新技术实现这一目标。

核心架构与内存模型

基于Region的堆布局

ZGC采用基于Region的堆内存布局，与G1收集器类似，但具有更高的动态性。在x64平台下，ZGC将堆划分为三类不同大小的Region：

  1. 小型Region(Small Region)：固定2MB容量，存放小于256KB的小对象
  2. 中型Region(Medium Region)：固定32MB容量，存放256KB-4MB的中等对象
  3. 大型Region(Large Region)：容量动态可变（2MB的整数倍），每个Region只存放一个大对象（≥4MB）

这种设计使ZGC能够根据对象大小智能分配内存，既提高了小对象的分配效率，又避免了大对象造成的内存碎片。大型Region不会被重分配（因为复制大对象代价高昂），而中小型Region则可以根据回收策略动态创建和销毁。

分代与非分代模式

在JDK 21之前，ZGC采用不分代的全堆收集策略，每次GC都需要扫描所有对象。基于"弱分代假说"（绝大多数对象朝生暮死）和"强分代假说"（老年对象难以死亡），JDK 21引入了分代ZGC（Generational ZGC）。

分代ZGC将堆划分为逻辑上的新生代和老年代（物理上不要求连续），并采用不同的回收策略：

  • Minor GC：只回收新生代，速度快频率高
  • Major GC：回收整个堆，包括新生代和老年代，速度慢频率低

分代模式通过更频繁地收集新生代对象，显著提高了资源利用率和性能。测试表明，分代ZGC不仅能保持亚毫秒级延迟，在很多情况下比非分代模式使用更少内存且吞吐量损失更小。

关键技术实现

染色指针（Colored Pointers）

染色指针是ZGC最具标志性的技术创新，它将GC元数据直接存储在对象指针中，而非传统GC那样存储在对象头里。在64位Linux系统中，ZGC利用指针中高18位不能用于寻址的特性，使用其中4位作为标志位：

18位：预留给以后使用；
1位：Finalizable标识（与并发引用处理相关）；
1位：Remapped标识（对象是否指向重分配集）；
1位：Marked1标识；
1位：Marked0标识（用于辅助GC）；
42位：对象地址（支持4TB内存）

染色指针技术带来了三大核心优势：

  1. 快速释放内存：Region中存活对象被移走后可立即重用，不必等待所有引用更新
  2. 减少内存屏障：只需使用读屏障，大幅降低GC开销
  3. 可扩展的存储结构：为未来功能扩展预留空间

在分代ZGC中，染色指针布局进一步优化，将元数据放在指针低位，地址放在高位，使得通过单个移位指令（x64架构）就能检查指针状态并移除元数据。

并发处理与内存屏障

ZGC是一款完全并发的收集器，所有繁重工作都与应用程序线程并行执行。为实现这点，ZGC采用了创新的屏障技术：

  1. 读屏障(Load Barrier)：类似于AOP的前置通知，当读取处于重分配集的对象时，屏障会拦截并转发到新对象，同时更新引用值，这种"自愈"能力确保应用代码总是持有有效指针

  2. 存储屏障(Store Barrier)：分代ZGC新增的屏障，负责无色指针到有色指针的转换、维护记忆集和标记存活对象

分代ZGC通过快慢路径分离优化屏障性能：快路径由JIT实现并直接插入编译代码；慢路径用C++实现处理复杂情况；还引入中间路径缓冲存储操作，只有当缓冲区满时才进入慢路径，大幅减少开销。

记忆集与SATB

分代ZGC采用双重缓冲记忆集，由两个bitmap实现（非传统卡表）：

  • 一个bitmap供用户线程修改（写屏障中）
  • 一个只读bitmap供GC使用

这种设计消除了清除bitmap时的等待，也不需要额外内存屏障。对于并发标记期间引用变化导致的漏标问题，ZGC使用**SATB(Snapshot-At-The-Beginning)**算法解决，与G1收集器类似。

ZGC的运作过程

ZGC的完整收集周期可分为四个主要阶段，其中仅包含三个短暂的STW停顿：

  1. 并发标记(Concurrent Mark)：

    • 遍历对象图做可达性分析
    • 更新染色指针中的Marked0/Marked1标志位
    • 标记在指针而非对象上进行，提高效率

  2. 并发预备重分配(Concurrent Prepare for Relocate)：

    • 统计确定需要清理的Region，组成重分配集(Relocation Set)
    • 类似G1的回收集(Collection Set)，但选择策略不同

  3. 并发重分配(Concurrent Relocate)：

    • 核心工作阶段，将存活对象移动到新Region
    • 通过转发表(Forward Table)处理旧引用

  4. 并发重映射(Concurrent Remap)：

    • 修正所有指向重分配集中对象的引用
    • 可与下一轮标记合并进行，减少开销

分代ZGC的回收过程更精细，分为Minor GC和Major GC两种模式。Minor GC时初始标记的根集合包含：

  • GC roots中指向新生代的引用
  • 老年代记忆集(remembered sets)

性能调优与实践

关键配置参数

ZGC设计哲学是简化调优，大多数情况下只需设置堆大小即可：

参数作用默认值优化建议
-Xms/-Xmx堆最小/最大大小物理内存1/4设为相同值避免堆震荡
-XX:+UseZGC启用ZGC关闭低延迟场景必选
-XX:+ZGenerational启用分代模式(JDK21+)JDK23默认开启多数情况建议开启
-XX
并发GC线程数CPU核心数12.5%内存压力大时可适当增加
-XX
最小回收间隔10秒突发分配场景可延长
-XX:+UseLargePages启用大页内存关闭提升吞吐量和降低延迟
-XX:+UseNUMANUMA支持开启多插槽服务器保持开启
-XX:+ZUncommit返还闲置内存给OS开启容器环境建议开启

触发机制与停顿分析

ZGC的触发机制主要有三类：

  1. 基于分配速率：当内存分配速度超过回收速度时触发
  2. 基于时间间隔：-XX
    控制
  3. 主动触发：-XX:+ZProactive启用预测性回收

常见的停顿原因包括：

  • GC过程STW：初始标记(Pause Mark Start)、再标记(Pause Mark End)、初始转移(Pause Relocate Start)
  • 非GC停顿：内存分配阻塞(Allocation Stall)、安全点(Safepoint)、线程/内存Dump

优化建议

  1. 堆大小设置：

    • 生产环境建议-Xms和-Xmx设为相同值
    • 堆大小应能容纳活动对象集并有足够缓冲空间
    • 通常建议堆大小为活动对象集的3-4倍

  2. 大页内存配置：

    bash
    # 配置Linux大页(需root)
echo 9216 > /proc/sys/vm/nr_hugepages
# 启用ZGC大页支持
-XX:+UseLargePages

    大页(2MB)能减少TLB缺失，提升性能

  3. NUMA优化：

    • 多插槽服务器建议保持-XX:+UseNUMA开启
    • 单NUMA节点系统会自动禁用

  4. 监控与日志：

    bash
    -Xlog:gc*=info:file=gc.log:time,tags:filecount=10,filesize=100m

    分析GC日志关注：

    • 停顿时间分布
    • 并发阶段耗时
    • 内存回收效率

与传统GC的对比

特性ZGCG1CMSParallel
设计目标大堆低延迟平衡延迟/吞吐老年代低延迟高吞吐量
最大暂停目标<10ms200ms左右不可预测无保证
堆大小支持16TB+4TB-32TB一般<4TB一般<4TB
分代支持JDK21+支持支持支持支持
压缩算法并发压缩部分压缩不压缩全压缩
内存屏障读屏障+存储屏障写屏障写屏障无
适用场景大内存低延迟平衡型应用老年代低延迟批处理作业

未来发展与挑战

ZGC仍在持续演进，未来可能的发展方向包括：

  1. 更大堆支持：当前16TB+的限制可能进一步扩展
  2. 元空间优化：减少Metaspace的GC影响
  3. 云原生适配：更好适应容器环境的内存弹性
  4. AI驱动的自适应：根据工作负载自动优化参数

实际使用中的挑战主要有：

  • 分代模式下的记忆集维护开销
  • 极端情况下Allocation Stall问题
  • 与JNI代码的交互成本

总结

ZGC代表了Java垃圾收集技术的最前沿，通过染色指针、并发处理和分代收集等创新技术，实现了大内存堆下的亚毫秒级停顿。从JDK11到JDK23的演进过程中，ZGC逐渐成熟并成为处理现代Java应用低延迟需求的优选方案。

对于开发者而言，理解ZGC的核心原理和调优方法，能够帮助我们在以下场景中获得最佳性能：

  • 大数据处理框架（如Spark、Flink）的内存管理
  • 金融交易系统等低延迟应用
  • 云原生环境中的Java服务
  • 游戏服务器等实时系统

随着Java生态的持续发展，ZGC很可能会成为新一代Java应用的默认垃圾收集器，其设计理念和技术实现值得每一位Java开发者深入学习和掌握。