ZGC 垃圾收集器

GC 停顿太长了？

想象一下：你正在和用户交互，突然界面卡住 500ms，等 GC 回收完才恢复。这在金融交易、游戏、实时系统里是不可接受的。

ZGC 的目标就是：停顿时间不超过 1ms，不管堆多大。

为什么需要 ZGC

传统 GC 的问题

GC	停顿时间	问题
Serial GC	很长	单线程，适合小型堆
Parallel GC	数百 ms	高吞吐，但停顿长
CMS	数十 ms	已废弃，有并发失败风险
G1	数十到数百 ms	可预测，但仍会停顿

问题核心：Stop-The-World（STW）。GC 时必须暂停所有应用线程，堆越大停顿越长。

ZGC 的设计目标

停顿时间: < 1ms
停顿时间不随堆大小增长: ✅
停顿时间不随活跃数据大小增长: ✅
停顿时间不随 root 扫描数量增长: ✅

核心原理

着色指针（Colored Pointers）

ZGC 用 64 位指针的元数据位来标记对象状态：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      64 位对象指针                                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                 │
│  46 位（对象地址）│ 4 位（着色位）│ 14 位（预留）                 │
│                                                                 │
│  着色位用途：                                                    │
│  ┌────┬────┬────┬────┐                                         │
│  │ Marked0│ Marked1│ Remapped│ Finalizable │                   │
│  └────┴────┴────┴────┘                                         │
│                                                                 │
│  逻辑三色：白色（未访问）→ 灰色（扫描中）→ 黑色（已处理）          │
│                                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

通过着色指针，GC 可以在不暂停应用的情况下追踪对象。

读屏障（Load Barrier）

当应用代码读取对象引用时，ZGC 会插入一个小检查：

Object* read_barrier(Object* obj) {
    if (obj.is_remapped()) {
        return obj;  // 已是最新，直接返回
    }
    return obj.forward();  // 可能被移动，返回新地址
}

这个检查非常快（~3ns），比 GC 停顿的代价小得多。

并发执行

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      ZGC 并发阶段                                  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                 │
│  1. Pause Mark Start     - 初始化标记（STW，极短）              │
│       ↓                                                           │
│  2. Concurrent Mark      - 并发标记对象                           │
│       ↓                                                           │
│  3. Pause Mark End      - 标记完成（STW，极短）                │
│       ↓                                                           │
│  4. Concurrent Prepare  - 准备回收，决定收集集合                 │
│       ↓                                                           │
│  5. Concurrent Relocate - 并发移动对象                           │
│       ↓                                                           │
│  6. Pause Relocate Start - 重定位开始（STW，极短）             │
│                                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

只有初始化和最终阶段会短暂停顿，且时间固定。

基本使用

启用 ZGC

bash

# JDK 11-14
java -XX:+UseZGC -Xms4g -Xmx4g -jar app.jar

# JDK 15+（更稳定）
java -XX:+UseZGC -Xms4g -Xmx4g -jar app.jar

# JDK 21+（分代 ZGC，性能更好）
java -XX:+UseZGC -Xms4g -Xmx4g -jar app.jar

设置堆大小

bash

# ZGC 建议设置最大堆大小
java -XX:+UseZGC \
     -Xms8g -Xmx8g \    # 初始和最大堆
     -jar app.jar

# ZGC 会尽可能保持低延迟
# 如果堆使用率超过阈值，会触发 GC

调优参数

核心参数

bash

# 最大停顿时间目标（软目标）
java -XX:+UseZGC \
     -XX:MaxGCPauseMillis=1 \
     -jar app.jar

# GC 线程数（默认自动）
java -XX:+UseZGC \
     -XX:ConcGCThreads=4 \
     -jar app.jar

# 禁用类卸载（JDK 15+）
java -XX:+UseZGC \
     -XX:-ClassUnloading \
     -jar app.jar

大页内存

bash

# 使用大页内存，提升性能
# Linux 配置大页
# echo 20 > /proc/sys/vm/nr_hugepages
# 或使用 -XX:+UseLargePages

java -XX:+UseZGC \
     -XX:+UseLargePages \
     -Xms16g -Xmx16g \
     -jar app.jar

NUMA 支持

bash

# 启用 NUMA 感知（多插槽服务器）
java -XX:+UseZGC \
     -XX:+UseNUMA \
     -Xms64g -Xmx64g \
     -jar app.jar

完整配置示例

bash

java -XX:+UseZGC \
     -Xms16g -Xmx16g \
     -XX:MaxGCPauseMillis=1 \
     -XX:+UseLargePages \
     -XX:+UseNUMA \
     -XX:ConcGCThreads=8 \
     -Xlog:gc*:file=gc.log \
     -jar app.jar

分代 ZGC（JDK 21+）

JDK 21 引入了分代 ZGC，进一步提升性能：

bash

# JDK 21+：默认就是分代 ZGC
java -XX:+UseZGC -Xms16g -Xmx16g -jar app.jar

# 分代 ZGC 的优势：
# - 年轻对象回收更频繁，停顿更短
# - 老年代对象回收频率降低
# - 内存占用更合理

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                   分代 ZGC 架构                                    │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                 │
│  年轻代（Young Generation）                                     │
│  ┌──────────┬──────────┬──────────┐                          │
│  │ Eden     │ S0        │ S1        │                          │
│  │ ┌─────┐ │ │ ┌─────┐ │ │          │                          │
│  │ │新对象│ │ │      │ │ │          │                          │
│  │ └─────┘ │ │ │      │ │ │          │                          │
│  │ └─────┘ │ │ └─────┘ │ │          │                          │
│  └──────────┴──────────┴──────────┘                          │
│       ↑                                                           │
│       │ 晋升                                                      │
│       ↓                                                           │
│  老年代（Old Generation）                                        │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │                                                         │    │
│  │    ZGC 并发回收                                         │    │
│  │                                                         │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

监控与诊断

GC 日志

bash

# 详细 GC 日志
java -XX:+UseZGC \
     -Xlog:gc*:file=gc.log \
     -jar app.jar

# 实时查看
jstat -gcutil <pid> 1000

# GC 日志示例
#[2024-01-15T10:30:00.123+0800] GC(123) ZGC Pauses: 0.12ms (0.12ms)
#[2024-01-15T10:30:00.456+0800] GC(124) ZGC Pauses: 0.08ms (0.08ms)

JMX 监控

java

import java.lang.management.*;

public class ZgcMonitor {

    public static void main(String[] args) {
        GCM beans:
        List<GarbageCollectorMXBean> gcBeans = ManagementFactory.getGarbageCollectorMXBeans();

        for (GarbageCollectorMXBean bean : gcBeans) {
            if (bean.getName().contains("ZGC")) {
                System.out.println("Collector: " + bean.getName());
                System.out.println("Collection count: " + bean.getCollectionCount());
                System.out.println("Collection time: " + bean.getCollectionTime() + "ms");
            }
        }
    }
}

诊断命令

bash

# 查看 GC 统计
jcmd <pid> GC.class_histogram

# 查看堆信息
jcmd <pid> GC.heap_info

# 查看 ZGC 特定统计
jcmd <pid> VM.native_memory summary

适用场景

ZGC 表现好的场景

bash

# 场景一：大内存应用
java -XX:+UseZGC -Xms64g -Xmx64g -jar app.jar
# 几十 GB 堆，停顿 < 1ms

# 场景二：低延迟要求
java -XX:+UseZGC -XX:MaxGCPauseMillis=1 -jar app.jar
# 金融交易、游戏服务器、实时系统

# 场景三：容器环境
java -XX:+UseZGC -Xms8g -Xmx8g -jar app.jar
# Docker/K8s 场景效果尤佳

ZGC 不适合的场景

bash

# 场景一：超小堆（< 100MB）
# G1 或 Serial GC 更合适，开销更小

# 场景二：追求极致吞吐量
# Parallel GC 吞吐量更高，但停顿长

# 场景三：极简环境（没有 ZGC 支持）
# 某些特殊环境可能不支持 ZGC

ZGC vs 其他 GC

特性	ZGC	G1	Parallel
停顿时间	< 1ms	数十-数百 ms	数百 ms
停顿与堆大小	无关	相关	相关
吞吐量	高	中	最高
内存开销	中	低	低
JDK 正式版	15	9（默认）	很久以前
分代支持	21+	原生	原生

小结

ZGC 是 JDK 11+ 最重磅的 GC 改进：

bash

# 简单使用
java -XX:+UseZGC -Xms8g -Xmx8g -jar app.jar

# 生产配置
java -XX:+UseZGC \
     -Xms16g -Xmx16g \
     -XX:MaxGCPauseMillis=1 \
     -XX:+UseLargePages \
     -Xlog:gc*:file=gc.log \
     -jar app.jar

什么时候选 ZGC：

堆内存 > 4GB
对延迟敏感（< 100ms 不可接受）
容器化部署（Docker/K8s）
JDK 15+ 生产可用，JDK 21+ 推荐使用

IDEA 配置

ZGC 垃圾收集器 ​

为什么需要 ZGC ​

传统 GC 的问题 ​

ZGC 的设计目标 ​

核心原理 ​

着色指针（Colored Pointers） ​

读屏障（Load Barrier） ​

并发执行 ​

基本使用 ​

启用 ZGC ​

设置堆大小 ​

调优参数 ​

核心参数 ​

大页内存 ​

NUMA 支持 ​

完整配置示例 ​

分代 ZGC（JDK 21+） ​

监控与诊断 ​

GC 日志 ​

JMX 监控 ​

诊断命令 ​

适用场景 ​

ZGC 表现好的场景 ​

ZGC 不适合的场景 ​

ZGC vs 其他 GC ​

小结 ​

ZGC 垃圾收集器

为什么需要 ZGC

传统 GC 的问题

ZGC 的设计目标

核心原理

着色指针（Colored Pointers）

读屏障（Load Barrier）

并发执行

基本使用

启用 ZGC

设置堆大小

调优参数

核心参数

大页内存

NUMA 支持

完整配置示例

分代 ZGC（JDK 21+）

监控与诊断

GC 日志

JMX 监控

诊断命令

适用场景

ZGC 表现好的场景

ZGC 不适合的场景

ZGC vs 其他 GC

小结