探索Java11中的ZGC垃圾收集器

随着Java 11的发布，一款名为ZGC的新垃圾收集器进入了公众视野。这款由Oracle开发的垃圾收集器，旨在应对现代计算环境中日益增长的内存需求，特别是对于那些拥有大量内存资源的应用场景。ZGC的设计目标是在处理数TB内存时保持超低的延迟，同时对整体程序性能的影响控制在15%以内。

为何要在已有多种成熟垃圾收集器的情况下推出ZGC？这主要是由于近年来计算环境的巨大变化。例如，2006年时，最大的AWS实例配置仅为1 vCPU和1.7GB内存，而如今，AWS提供的x1e.32xlarge实例则配备了128个vCPU和3,904GB内存。这种硬件性能的飞跃要求垃圾收集技术也必须随之进化，以适应新时代的需求。

ZGC的设计核心在于实现以下几点：

• 支持高达TB级别的内存容量，同时保持低于10毫秒的暂停时间；
• 对应用程序的整体吞吐量影响不超过15%；
• 未来能够扩展支持更多高级功能，如多层堆结构和堆压缩等。

垃圾收集的基本概念

理解ZGC的工作原理前，我们先回顾一下垃圾收集的基本术语和技术：

• 并行：多个垃圾收集线程同时工作，但不一定需要暂停应用线程；
• 串行：单一垃圾收集线程执行任务，同样不强制暂停应用线程；
• STW (Stop The World)：垃圾收集过程中短暂暂停所有应用线程，以完成必要的清理工作；
• 并发：垃圾收集线程与应用线程并行运行，但需解决数据一致性问题；
• 增量：允许垃圾收集过程分步进行，即使中途被打断也能保持有效性。

技术挑战与解决方案

每种垃圾收集策略都有其优缺点。例如，并行收集虽然效率高，但需要额外的线程协调成本；而并发收集虽减少了应用中断，但增加了实现的复杂性和开销。ZGC通过引入“着色指针”和“读屏障”两项关键技术，巧妙地解决了这些问题。

着色指针

着色指针技术允许在64位系统中利用指针的高位存储额外信息，如对象的状态标志。这种方式不仅提高了内存利用率，还简化了垃圾收集过程中的对象追踪。ZGC利用了4位来表示不同的状态，包括finalizable、remap、mark0和mark1。

读屏障

读屏障是一种在应用线程访问堆内存时自动触发的小型代码段，用于检查对象的状态并在必要时进行调整。与传统的写屏障相比，读屏障能够在不影响应用性能的前提下，有效地支持并发收集。

ZGC的工作流程

ZGC的运行主要包括标记和重定位两个主要阶段：

• 标记阶段分为三个子阶段：首先是短暂的STW阶段，标记所有根对象；其次是较长的并发标记阶段，遍历整个对象图并标记所有可达对象；最后是一个简短的STW阶段，处理一些特殊情况。
• 重定位阶段同样包含两个子阶段：首先是一个STW阶段，重定位根对象并更新引用；随后是并发重定位阶段，移动对象并更新所有相关引用。

通过这些设计，ZGC能够在不影响应用性能的情况下，高效地管理大规模内存，展现出强大的潜力和广阔的应用前景。

性能评估

根据早期的测试结果，ZGC在SPECjbb 2015基准测试中的表现令人印象深刻。它不仅达到了与Parallel GC相近的吞吐量水平，而且实现了平均1毫秒、最高4毫秒的超低暂停时间，远优于G1和Parallel GC的表现。尽管如此，实际应用中的性能还需进一步验证，建议开发者根据具体应用场景自行测试，以评估ZGC的真实效能。