深入理解Java ZGC：低延遲垃圾收集器的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景

大家好，我是 V 哥，今天的內(nèi)容來(lái)聊一聊 ZGC，Java Z Garbage Collector（ZGC）是一個(gè)低延遲垃圾收集器，旨在優(yōu)化內(nèi)存管理，主要用于大內(nèi)存應(yīng)用場(chǎng)景。它通過(guò)以下幾個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新，徹底改變了傳統(tǒng)Java的內(nèi)存管理方式：

V 哥總結(jié)的以下5點(diǎn)，歡迎一起討論。

1. 極低的暫停時(shí)間

• ZGC的暫停時(shí)間一般保持在10毫秒以下，且不隨堆大小增加而延長(zhǎng)，這對(duì)需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的大型應(yīng)用特別重要。
• 這是通過(guò)并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)重分配技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，不用停頓整個(gè)應(yīng)用來(lái)完成垃圾收集任務(wù)。

2. 大內(nèi)存支持

• ZGC設(shè)計(jì)之初就是為TB級(jí)堆的內(nèi)存管理而生。相較于G1或CMS等收集器，它能處理更大的內(nèi)存，且不影響性能。

3. 著色指針（Colored Pointers）

• ZGC使用了64位指針的高位來(lái)標(biāo)記對(duì)象的不同狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)象的可移動(dòng)性與生命周期管理。這種方法允許對(duì)象在不更新引用的情況下在堆內(nèi)移動(dòng)。
• 著色指針與加載屏障結(jié)合，使得ZGC能高效追蹤對(duì)象的狀態(tài)，并確保內(nèi)存管理和對(duì)象移動(dòng)的一致性。

4. 并發(fā)壓縮和去碎片化

• ZGC可以在不停止應(yīng)用的情況下進(jìn)行堆內(nèi)存的壓縮與碎片整理。這提高了內(nèi)存的利用率，使長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的Java應(yīng)用能夠持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。

5. 分代優(yōu)化

• 雖然ZGC并不區(qū)分年輕代和老年代，但其高效的內(nèi)存管理方式使得其在各種生命周期的對(duì)象處理上都具備優(yōu)勢(shì)，尤其適合那些生命周期難以預(yù)測(cè)的對(duì)象。

使用場(chǎng)景

• ZGC適合內(nèi)存需求龐大的服務(wù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、高性能服務(wù)器、在線交易系統(tǒng)等，對(duì)低延遲、實(shí)時(shí)響應(yīng)有較高要求的Java應(yīng)用。

ZGC極大提升了Java的內(nèi)存管理能力，使開發(fā)者在處理大規(guī)模內(nèi)存應(yīng)用時(shí)有了更多選擇，進(jìn)一步優(yōu)化了應(yīng)用的性能和響應(yīng)速度。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、高性能服務(wù)器和在線交易系統(tǒng)這些場(chǎng)景中，低延遲、高并發(fā)和穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，而ZGC的特性能夠顯著優(yōu)化這些應(yīng)用的性能。下面我們具體看看ZGC在每個(gè)場(chǎng)景中的應(yīng)用方式。

1. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析

• 特點(diǎn)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析通常需要處理大量數(shù)據(jù)，內(nèi)存需求大，對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求較高。特別是在數(shù)據(jù)流分析、事件處理和大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等應(yīng)用中，GC停頓會(huì)直接影響到數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。
• ZGC優(yōu)化：
  • 低延遲：ZGC的暫停時(shí)間保持在10毫秒以下，且不隨堆大小增加。這意味著即使數(shù)據(jù)量大幅增長(zhǎng)，ZGC的GC停頓時(shí)間仍然可以忽略不計(jì)，從而保證數(shù)據(jù)分析過(guò)程的流暢。
  • 并發(fā)內(nèi)存壓縮：ZGC能夠在GC時(shí)并發(fā)進(jìn)行內(nèi)存壓縮和去碎片化，避免長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用在堆內(nèi)存碎片化后造成的性能下降。這對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)尤其重要，因?yàn)檫@些應(yīng)用通常需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行并處理大量動(dòng)態(tài)生成的對(duì)象。
  • 大內(nèi)存支持：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)往往需要處理TB級(jí)別的數(shù)據(jù)，ZGC可以高效管理大容量?jī)?nèi)存，從而保障了大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的內(nèi)存需求。

2. 高性能服務(wù)器

• 特點(diǎn)：高性能服務(wù)器需要在高并發(fā)的環(huán)境下快速響應(yīng)請(qǐng)求，特別是在處理海量短周期請(qǐng)求的服務(wù)中，GC停頓可能會(huì)造成用戶請(qǐng)求阻塞和系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。
• ZGC優(yōu)化：
  • 并發(fā)GC處理：ZGC的標(biāo)記、壓縮和對(duì)象移動(dòng)等操作幾乎完全并發(fā)，不會(huì)因GC停頓影響服務(wù)響應(yīng)，從而保證了服務(wù)器的高并發(fā)性能。
  • 著色指針：ZGC使用64位的著色指針，允許對(duì)象在不更新所有引用的情況下實(shí)現(xiàn)遷移。這不僅簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理，還減少了內(nèi)存碎片，使得服務(wù)在高并發(fā)場(chǎng)景中能更穩(wěn)定高效地分配內(nèi)存。
  • 彈性擴(kuò)展：對(duì)于高性能服務(wù)器來(lái)說(shuō)，當(dāng)請(qǐng)求數(shù)量暴增時(shí)，ZGC能高效管理和分配大內(nèi)存池，以滿足高峰期的資源需求。

3. 在線交易系統(tǒng)

• 特點(diǎn)：在線交易系統(tǒng)（如金融和電商）對(duì)延遲要求極高，因?yàn)槿魏蜧C停頓都會(huì)直接影響用戶體驗(yàn)甚至引發(fā)交易錯(cuò)誤。交易系統(tǒng)還需保障長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，避免內(nèi)存泄漏或性能下降。
• ZGC優(yōu)化：
  • 極低GC停頓時(shí)間：ZGC的停頓時(shí)間通常在幾毫秒級(jí)別，這種低延遲特點(diǎn)在交易系統(tǒng)中能大幅減少因GC造成的交易延遲，保證交易過(guò)程的順暢。
  • 安全的對(duì)象移動(dòng)：ZGC的著色指針和加載屏障實(shí)現(xiàn)了對(duì)象的并發(fā)移動(dòng)，不需要在GC期間暫停應(yīng)用。這種對(duì)象移動(dòng)特性避免了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的在線系統(tǒng)因GC停頓導(dǎo)致的交易卡頓或延遲。
  • 高吞吐量和可靠性：ZGC的并發(fā)壓縮和內(nèi)存碎片管理避免了老年代碎片化帶來(lái)的性能下降，使交易系統(tǒng)在高并發(fā)、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行環(huán)境下能保持穩(wěn)定的內(nèi)存分配與管理能力。

小結(jié)

• 低延遲、高并發(fā)、穩(wěn)定性保障：ZGC以低延遲的GC停頓、高效的大內(nèi)存管理和并發(fā)垃圾收集等特性，能夠有效應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、高性能服務(wù)器和在線交易系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。
• 降低內(nèi)存碎片化風(fēng)險(xiǎn)：ZGC的并發(fā)內(nèi)存壓縮和去碎片化機(jī)制確保在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下應(yīng)用仍保持穩(wěn)定和高效。
• 適應(yīng)復(fù)雜多樣的場(chǎng)景：無(wú)論是需快速響應(yīng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)還是追求穩(wěn)定性和低延遲的在線服務(wù)，ZGC的先進(jìn)內(nèi)存管理方式都提供了顯著的性能提升，使得應(yīng)用無(wú)需受限于傳統(tǒng)GC的限制。

如何使用 ZGC

要在Java中啟用Z Garbage Collector（ZGC），咱們可以在啟動(dòng)Java應(yīng)用時(shí)通過(guò)以下步驟配置JVM參數(shù)來(lái)開啟ZGC，看 V哥一一道來(lái)。

1. 檢查JVM版本

• ZGC在JDK 11及以上版本中可用（并在JDK 15及更高版本中完全穩(wěn)定）。
• 確認(rèn)您的JVM版本支持ZGC。

可以通過(guò)命令行檢查版本：

   java -version

2. 啟動(dòng)參數(shù)

• 使用-XX:+UseZGC參數(shù)啟用ZGC。
• 可以在命令行中添加該參數(shù)來(lái)啟動(dòng)應(yīng)用，例如V 哥有一個(gè)應(yīng)用：

     java -XX:+UseZGC -Xms<size> -Xmx<size> -jar  vg-app.jar

• -Xms<size> 和 -Xmx<size> 設(shè)置堆內(nèi)存的最小和最大值。ZGC通常用于大堆內(nèi)存環(huán)境，可以根據(jù)需求設(shè)置堆大小，例如 -Xmx16g 表示最大堆內(nèi)存為16GB。

3. 可選參數(shù)

ZGC還支持一些優(yōu)化參數(shù)，可以根據(jù)需求調(diào)整：

• 限制GC線程數(shù)量：-XX:ConcGCThreads=<n>，默認(rèn)線程數(shù)量與CPU核心數(shù)相關(guān)，但可以根據(jù)應(yīng)用負(fù)載適當(dāng)調(diào)整。
• 日志輸出：開啟詳細(xì)的GC日志幫助監(jiān)控ZGC性能。

   java -XX:+UseZGC -Xlog:gc -Xlog:gc+phases -jar vg-app.jar

• 最大暫停時(shí)間目標(biāo)：雖然ZGC停頓時(shí)間極低，但仍可設(shè)置目標(biāo)暫停時(shí)間，如-XX:MaxGCPauseMillis=<time>。ZGC會(huì)盡量保持在目標(biāo)之下，但并不嚴(yán)格保證。

4. 啟動(dòng)測(cè)試

使用-Xlog:gc查看GC日志，以確認(rèn)ZGC已啟用并監(jiān)控GC性能。可以運(yùn)行應(yīng)用后在日志中查看是否顯示類似于以下信息：

   Using ZGC
   [gc,start      ] GC(0) Start

示例完整命令

假設(shè)應(yīng)用需要16GB的堆空間并希望監(jiān)控GC日志，完整命令如下：

java -XX:+UseZGC -Xms16g -Xmx16g -Xlog:gc -jar vg-app.jar

注意事項(xiàng)

• 操作系統(tǒng)要求：ZGC僅在64位的Linux、macOS、Windows上支持，需確保您的操作系統(tǒng)兼容。
• 硬件要求：ZGC對(duì)大內(nèi)存的硬件支持要求較高，通常適合使用大于8GB的堆。

over，開啟ZGC并配置適當(dāng)?shù)膮?shù)后，Java應(yīng)用將在低暫停時(shí)間的大內(nèi)存環(huán)境中運(yùn)行，適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、高并發(fā)服務(wù)器等應(yīng)用。