Java GC 与 ZGC 全面解析
Java GC 与 ZGC 全面解析
Java 垃圾回收（GC）是 JVM 自动管理内存的核心机制，而 ZGC（Z Garbage Collector）是 OpenJDK 推出的一款低延迟、可扩展的新一代垃圾收集器。本文从基础 GC 概念切入，深入解析 ZGC 的设计、原理、特性及适用场景。
一、Java GC 基础
1. 核心目标
GC 的核心是自动回收不再被引用的对象内存，避免内存泄漏和手动内存管理的复杂性，核心原则：
识别「存活对象」和「垃圾对象」；
回收垃圾对象占用的内存并重新分配；
尽可能减少对应用线程的停顿（STW，Stop-The-World）。
2. 经典 GC 分类（按代际 / 特性）
| 收集器 | 适用代际 | 核心特点 | 典型停顿时间 | 适用场景 |
| Serial GC | 新生代 | 单线程、简单高效 | 百毫秒级 | 小内存、单核场景 |
| Parallel GC | 新生代 | 多线程、高吞吐量 | 几十毫秒级 | 后台计算、批处理 |
| CMS | 老年代 | 并发标记清除、低延迟 | 毫秒级（部分阶段） | 低延迟要求的服务 |
| G1 GC | 整堆 | 区域化、可预测停顿 | 几十毫秒级 | 中等延迟、大内存场景 |
| ZGC | 整堆 | 并发、低延迟、可扩展 | 亚毫秒级（<10ms） | 超大内存、超低延迟场景 |
3. 经典 GC 的痛点
Serial/Parallel GC：STW 时间随堆内存增大线性增加；
CMS：内存碎片严重、并发阶段占用 CPU、无法处理浮动垃圾；
G1：大堆（如百 GB 级）下仍有明显 STW，内存划分粒度有限。
二、ZGC 核心解析
ZGC 是 OpenJDK 11 引入的实验性特性（JDK 15 正式发布），专为超大堆（TB 级）、超低延迟设计，核心目标：STW 时间不超过 10ms，且停顿时间不随堆大小 / 存活对象数量增加而增加。
1. ZGC 核心设计理念
（1）基于「Region」的内存布局
ZGC 将堆划分为多个大小固定的 Region（区域），支持三种尺寸：
Small Region：2MB（存储小对象）；
Medium Region：32MB（存储中等对象）；
Large Region：大小不固定（等于大对象大小，避免大对象跨 Region）。 Region 可动态创建 / 销毁，内存利用率更高。
（2）染色指针（Colored Pointers）
ZGC 最核心的创新，将对象的元数据（如标记状态、所属 Region）存储在指针的空闲位中（64 位系统指针仅使用 48 位地址，剩余 16 位可复用），而非对象头：
优势：无需修改对象内存即可标记对象，避免 CMS/G1 的「写屏障」开销；
核心状态位：
Marked0/Marked1：标记对象是否存活；
Remapped：标记指针是否已重映射到新地址。
（3）并发处理全流程
ZGC 几乎所有阶段（标记、重映射、压缩）均为并发执行，仅在「指针切换」等极短操作时触发微秒级 STW：
ZGC 回收周期：
1. 初始标记（STW，微秒级）：标记 GC Roots 直接引用的对象；
2. 并发标记：遍历对象图，标记所有存活对象（染色指针）；
3. 重新标记（STW，微秒级）：处理并发标记期间的漏标；
4. 并发重映射：更新所有指向旧 Region 的指针；
5. 并发压缩：将存活对象移动到新 Region，释放旧 Region。
2. ZGC 核心特性
| 特性 | 说明 |
| 超低 STW | 所有 STW 操作均在 10ms 内，且与堆大小无关（即使堆为 TB 级）； |
| 并发回收 | 标记、压缩、重映射全并发，几乎不占用应用线程时间； |
| 无内存碎片 | 基于复制的压缩机制，彻底解决内存碎片问题； |
| 可扩展 | 支持 8MB ~ 4TB 堆内存，适配从单机到大型服务器的场景； |
| 多平台支持 | 支持 Linux/x86_64、Linux/AArch64，JDK 17 后支持 Windows/AArch64； |
3. ZGC 启用与参数配置
（1）启用 ZGC（JDK 11+）
运行
# JDK 11-14（实验性，需加 --enable-preview）java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -jar app.jar
# JDK 15+（正式特性，无需预览）java -XX:+UseZGC -jar app.jar
（2）核心调优参数
运行
# 设置堆内存（ZGC 建议堆不小于 4GB）-Xms16G -Xmx16G
# 设置 Region 大小（默认自动，也可手动指定）-XX:ZHeapSize=16G -XX:ZSmallRegionSize=2M -XX:ZMediumRegionSize=32M
# 设置并发线程数（默认 CPU 核心数的 1/8）-XX:ZConcGCThreads=8
# 开启 ZGC 日志（推荐）
-Xlog:gc*=info:file=zgc.log:time,uptime,pid,tid
# 禁用偏向锁（ZGC 与偏向锁不兼容，JDK 17 已修复）-XX:-UseBiasedLocking
4. ZGC 适用场景
（1）推荐场景
超大堆内存应用（如 32GB+ 堆）；
对延迟敏感的服务（如金融交易、实时风控、游戏服务器）；
要求 99.999% 可用性的核心系统；
替代 CMS/G1 无法满足低延迟要求的场景。
（2）不推荐场景
小内存应用（堆 < 4GB）：ZGC 初始化开销高于 G1；
纯吞吐量优先的批处理任务（Parallel GC 更高效）；
旧版本 JDK（<11）或非 Linux 平台（如 Windows/x86_64）。
三、ZGC 与 G1/CMS 的对比
| 维度 | ZGC | G1 | CMS |
| STW 时间 | <10ms（与堆无关） | 几十毫秒（随堆增大） | 毫秒级（并发阶段无） |
| 内存碎片 | 无（压缩） | 少量（部分压缩） | 严重（无压缩） |
| 堆大小支持 | 8MB ~ 4TB | 最大约 100GB | 最大约 64GB |
| 并发程度 | 全流程并发 | 部分并发 | 标记并发、清除串行 |
| 内存利用率 | 高（动态 Region） | 中等 | 高（无压缩） |
| CPU 开销 | 较高（并发线程） | 中等 | 中等 |
四、ZGC 演进与未来
JDK 11：首次引入 ZGC（实验性），仅支持 Linux/x86_64；
JDK 15：ZGC 正式发布，支持压缩指针、大页面；
JDK 17：ZGC 成为 LTS 特性，支持 Windows/AArch64、禁用偏向锁自动适配；
JDK 21：ZGC 优化并发压缩、降低 CPU 开销，支持更大堆（8TB 预览）。
总结
基础 GC：解决内存自动回收问题，但传统收集器在大堆、低延迟场景下存在瓶颈；
ZGC：通过染色指针、并发全流程、Region 内存布局等创新，实现了「超大堆 + 超低延迟」的突破，是高可用、低延迟 Java 应用的首选收集器；
选型建议：
小堆、吞吐量优先 → Parallel GC；
中等堆、平衡延迟与吞吐量 → G1；
大堆、超低延迟 → ZGC。
ZGC 已在金融、电商、云计算等核心场景大规模落地，是 Java 高性能架构的重要基石。
Java GC 与 ZGC 全面解析
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