1、前言

不要犹豫了，GC 最大停顿时间小于 1ms，支持 16TB 内存，这么高的性能提升，也不需要复杂的调优，节省了这个时间，你去陪对象不香嘛。

上篇文章给大家带来了 JDK11 升级 JDK17 的最全实践，相信大家阅读后对于升级 JDK17 有了基本的了解。同时我们也会比较好奇，ZGC 的原理是啥样的，怎么做到停顿时间那么短？ 本文将通过对比 ZGC 与传统垃圾回收器的改动点，从多个维度综合分析为什么 ZGC 的停顿时间那么短。同时由于 ZGC 的深层次原理可能较为晦涩难懂，本文将尽可能采用图文并茂的方式，以使大家更容易理解 ZGC 的核心原理。

2、ZGC 是什么

ZGC 垃圾收集器( Z Garbage Collector )是一种可伸缩的低延迟垃圾收集器，ZGC 可以很好地处理从几百兆字节到 16TB 堆大小空间的垃圾回收，而中断应用程序线程的时间不超过 1ms。特别适合需要低延迟的应用，同时暂停时间与正在使用的堆大小无关。。

ZGC 最初作为 JDK 11 中的实验性功能引入，并在 JDK 15 中宣布生产就绪。

ZGC 的技术特点：

•并发

•基于分区的，不再是传统的分代模型，JDK21 开始支持分代

•自动整理内存

•支持 NUMA，Non-Uniform Memory Access（非一致内存访问）

•染色指针，将 GC 标识信息存储在指针上的技术

•读屏障，读取的时候去更新对象的指针引用关系

ZGC 的目标：

3、有了 G1，为什么还要引入 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，比如我上篇文章中的压测报告中，G1 的最大停顿时间达到了 610ms。

4、ZGC 为什么那么快？

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），从 JDK21 开始支持分代模型

•低延迟：

ZGC 的分页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 的分页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 的分页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 的分页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

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。

源码查看：

4.4、GC 标记过程

1、初始标记

扫描所有线程栈的根节点，然后再扫描根节点直接引用的对象并进行标记。这个阶段需要停顿所有的应用线程（STW），但由于只扫描根对象直接引用的对象，所以停顿时间很短。停顿时间高度依赖根节点的数量，从 JDK16 开始，已经解决了此问题：https://malloc.se/blog/zgc-jdk16

2、并发标记/并发对象重定位

第 1 个 GC 周期：并发遍历上一次标记下引用的对象并标记。

第 2 个 GC 周期：并发遍历的过程中，顺便把上周期"并发迁移"阶段迁移的对象指针修正指向到新分区。

3、标记结束/再标记

标记上一次标记过程新产生的对象。并发标记过程中，应用线程可能会产生一些新对象，所以需要再标记出来。这个阶段需要停顿所有的应用线程。（STW），但由于只标记新增的对象，数量很少，所以停顿时间很短。

4、并发转移准备

为对象转移做一些前置准备，比如引用处理、弱引用清理和重定位集选择等。

5、转移开始/初始转移

迁移根节点直接引用的对象到新分区，这个阶段需要停顿所有的应用线程（STW），但由于只迁移根节点直接引用的对象，所以停顿时间很短。

6、并发迁移

并发迁移“并发标记”阶段标记的对象到新分区（对象引用指针未修改，仍指向旧分区）。

4.5、几个问题说明

1、为何并发转移阶段，对象已转移至新分区后，却没有修改线程栈上实际的引用，依然指向旧分区？

因为如果此时再扫描线程栈，修改引用地址，要扫描的量太大，效率太低。

刚好下一个 GC 周期也要进行扫描标记，可以利用扫描标记的时间，同时把对象引用修正指向到新分区，以此提升效率，减少停顿时间

2、并发转移阶段对象已迁移，但引用指针仍指向旧分区，如何保证旧分区被清理后对象仍然可以访问？

•由于未修改对象引用指针，为防止旧分区被清理，导致对象找不到的问题，此处引入了读屏障和转发表

•转发表记录了对象从旧位置到新位置的映射关系，实现类似一个 hash 表，key 是旧分区的位置，value 是新分区的位置，此时当访问旧位置的对象时，通过转发表可以获取新位置。这样可以避免在整个堆空间中更新对象引用的开销，因为只需要更新转发表中的条目即可。

•读屏障的作用是在读取对象引用时，检查对象的标记状态并获取转发表中的映射关系。通过读屏障，ZGC 能够在读取对象引用时，将访问重定向到新位置，以确保对象的访问仍然有效。如下图：每次读取引用时会触发一次读屏障

5、GC 全流程示意图

此示意图依据 JDK11 的 ZGC 理念绘制，尽管在 JDK11 至 JDK17 的多个版本迭代过程中，部分技术实现或许发生了变动，然而核心原理依旧保持不变。

6、GC 日志分析

下面是我压测过程的 GC 日志，【STW】表示暂停业务线程执行 GC，【并发】表示不暂停业务线程并发执行 GC，可以看到 STW 停顿时间很短

我们再把上面的关键日志贴到到 GC 示意图中来分析实际的 GC 过程，可以发现总停顿时间只有 0.07ms，符合官方说的小于 1ms

7、ZGC 如何调优

结论： 1、ZGC 被设计为自适应且需要最少的手动配置。在 Java 程序执行期间，ZGC 通过调整代大小、扩展 GC 线程数量以及调整保有阈值来动态适应工作负载。主要的调整旋钮是增加最大堆大小。 2、不再需要调整–Xmn、–XX:TenuringThreshold 和–XX:ConcGCThreads（动态调整，JDK17 开始）等 3、只需要设置：–Xmx -XX:+UseZGC

7.1、设置堆大小

ZGC 最重要的调整选项是设置最大堆大小，您可以使用-Xmx 命令行选项进行设置。由于 ZGC 是并发收集器，因此您必须选择最大堆大小，以便堆可以容纳应用程序的实时集，并且堆中有足够的空间以允许在 GC 运行时处理分配。需要多少空间很大程度上取决于分配率和应用程序的实时设置大小。一般来说，给 ZGC 的内存越多越好。但同时，浪费内存也是不可取的，因此关键在于在内存使用量和 GC 需要运行的频率之间找到平衡。

7.2、设置并发 GC 线程

不需要特意设置 GC 线程数，程序会自动调整。

我们可能想要考虑的第二个调整选项是设置并发 GC 线程的数量 ( -XX:ConcGCThreads=<number>)。ZGC 具有启发式方法来自动选择此数字。这种启发式方法通常效果很好，但根据应用程序的特性，可能需要进行调整。该选项本质上决定了应该为 GC 提供多少 CPU 时间。给予太多，GC 将从应用程序中窃取过多的 CPU 时间。如果设置太少，应用程序分配垃圾的速度可能会快于 GC 收集垃圾的速度。

从 JDK 17 开始，ZGC 动态扩展和缩减并发 GC 线程数。这使得您更不需要调整 GC 线程的并发数量。

一般来说，如果低延迟（即低应用程序响应时间）对您的应用程序很重要，那么**永远不要过度配置您的系统。**理想情况下，您的系统的 CPU 利用率不应超过 70%。

7.3、ZGC 特有参数配置

正如我上面说的，大部分情况的都不需要进行调优，特殊情况设置最好结合压测情况。

•-XX:ZAllocationSpikeTolerance

表示 ZGC 垃圾回收器在检测到内存分配波动时的容忍度，默认 50，越小越敏感，会更快地对内存分配波动做出反应，可能会导致更频繁的垃圾回收。一般不需要手动设置，应对突发流量时，可以考虑设置。

•-XX:ZCollectionInterval

该参数用于设置 ZGC 的垃圾回收间隔时间。默认值为 4s，表示 ZGC 每 4 秒进行一次垃圾回收。您可以根据应用程序的性能需求和停顿时间目标进行调整。

•-XX:ZProactive

该参数用于启用或禁用 ZGC 的主动模式。默认情况下，ZGC 处于主动模式，以最大程度地减少停顿时间。如果将该参数设置为 false，则 ZGC 将进入被动模式，可能会导致更长的停顿时间，但可以提高吞吐量。

•-XX:UseLargePages

开启大页面，此选项依赖 Linux 的内核，且需要用 root 去开启。理论上堆内存越大，回收效率越好。

7.4、开启 GC 日志

要启用基本日志记录（每个 GC 输出一行）：-Xlog:gc:gc.log

要启用对调优/性能分析有用的 GC 日志记录：-Xlog:gc*:gc.log，其中 gc* 表示记录包含该 gc 标签的所有标签组合， :gc.log 表示将日志写入名为 gc.log

8、总结

通过本文的介绍，我们大致了解了 ZGC 的核心原理、日志分析方法以及调优技巧。总的来说，ZGC 作为一种现代化的垃圾回收器，它为大规模应用程序的性能和可用性带来了显著的提升，希望本文能帮助大家更好的理解和应用 ZGC。

作者：京东科技 曲振富

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