- 年更博主，前来报到🐶。最近发生了一个频繁oom的问题，经过排查和zgc有点关系。zgc之前没有怎么接触过，借此机会也研究了下。（具体原因就没法在这写了）
- 这篇文章更多的是ZGC资料的汇总，方便快速回顾。
- 英语水平有限，外加JDK21后出现分代特性，文章较少，如有错误，欢迎指出。参考内容在末尾！！！
简介
Z Garbage Collector(ZGC):ZGC是一个可拓展的低延迟的垃圾收集器。ZGC可以在不停止应用程序线程执行超过一毫秒的情况下，并发完成所有耗时的工作。ZGC可以很好地支持从几百兆字节到 16TB 的堆大小。
ZGC从JDK 11 引入，JDK 15开始可以用于生产环境，JDK 21被重新实现以支持分代。
ZGC垃圾回收过程
以上是美团整理的垃圾回收过程。
ZGC只有三个STW阶段：初始标记，再标记，初始转移。
- 初始标记和初始转移分别都只需要扫描所有GC Roots，其处理时间和GC Roots的数量成正比，一般情况耗时非常短；
- 再标记阶段STW时间很短，最多1ms，超过1ms则再次进入并发标记阶段。
Mark Phase
这个不分大致分为3个阶段
- 初始标记：STW 阶段，从GC Roots 标记他们可以访问到的对象。
- 并发标记：上一个阶段STW阶段结束后，会并发遍历、标记
- 再标记：遍历完成后，会有一个最后的、非常短暂的STW，用于处理一些边界情况，随后标记过程就结束了。
Relocate Phase
并发转移准备：ZGC将堆划分为多个页面（page），并在该阶段开始时并发地选择一组页面--有存活对象且需要被重新分配。
初始转移：STW，在此期间ZGC会转移GC Root，将它们的引用重新映射到新的地址。
并发转移：此阶段是并发的，这就有一个问题，如果用户线程访问到转移后的对象怎么办，这个就是通过加载屏障(Load Barrier)来实现的。
着色指针（Pointer colouring）
着色指针：核心思想是空间换时间。指针大小为64位，其中内存地址是42为，其他22位可以用来存储信息。目前用了以下4位
- Finalizable:是否可以被回收(JDK18启用)
- Remapped: 表示该引用需要被重定向
- Marked1&Marked0:是否被GC标记，每个GC周期会交替使用这2个标记
加载屏障（Load Barrier）
承接上文说的，如果在并发转移（Relocation）的过程中，用户线程访问到了被转移的对象，此时加载屏障（Load Barrier）开始介入，保证引用始终指向有效对象。
- 先判断标记位------Remapped 检查引用指针的高位是否设置了Remapped标志位。
如果设置了，表示该对象可能已经被转移但引用尚未更新，需要更新引用。
- 判断是否已经被转移 加载旧地址的对象头，检查是否是在 Forwarding Stub（转发表）中。 如果存在，说明对象已经迁移，引用需要被更新。 如果不存在，什么也不做，保留引用。
存储屏障
这个是分代ZGC特有，主要是用来跟踪跨代引用。ZGC在着色指针中添加标记位，以便存储存储屏障能够判断是否包含跨代指针。
其他特性
- 无多重映射内存（No multi-mapped memory）
- 将非分代zgc的多重映射内存取消了，更好的检测堆内存使用量（实际使用量3倍的问题）
- 优化屏障（Optimized barriers）
- Fast paths and slow paths
- Minimizing load barrier responsibilities
- Remembered-set barriers
- SATB marking barriers
- Fused store barrier checks
- Store barrier buffers
- Barrier patching
- 双重缓冲记忆集合（Double-buffered remembered sets）
- 使用位图代替卡表（512位，每一位标记一段区域是否被写过）形式
- 一个位图（bitmap）用于活跃线程标记，另一个用于gc
- 每次young gc，交换2个位图，gc处理老位图
- 重新分配无需额外堆内存（Relocations without additional heap memory）
- 2阶段gc，第一阶段标记可达对象，二阶段分region重定位
- 密集的堆区域（Dense heap regions）
- region使得对象更密集，zgc会分析年轻代region的密度，判断哪些更值得清理。不需要清理的区域直接接地老化
- 大对象（Large objects）
- ZGC 已经能够很好地处理大型对象。通过将虚拟内存与物理内存解耦，并预留过多的虚拟内存，ZGC 通常可以避免使用 G1 时导致大型对象分配困难的碎片问题。
- 完整的垃圾收集（Full garbage collections）
- 如果 GC 是由显式调用（如 System.gc()）触发的，ZGC 会在旧生代 GC 前执行一次额外的年轻代 GC，并强制将存活对象提升到旧生代，确保引用处理和类卸载能正常发生。
分代ZGC
分代ZGC JDK21 发布的新特性，旨在降低分配停滞(allocations stalls)的风险，减少所需的堆内存开销，并降低垃圾收集的CPU开销。与非分代 ZGC 相比，这些优势预计不会显著降低吞吐量。非分代 ZGC 的基本特性（例如，暂停时间不超过 1 毫秒，以及支持从几百兆字节到数 TB 的堆大小）将得以保留。
分代 ZGC 基于弱分代假说，即年轻对象往往会在年轻时死去，而老对象往往会保留下来。通过更频繁地收集年轻对象，ZGC 可以提高应用程序的性能。
分代 ZGC 引入了多个使其不同于非分代 ZGC 和其他垃圾收集器的设计概念，包括无多重映射内存、优化屏障、双缓冲记忆集、无追加堆内存重定位、密集堆区域、大对象和完整垃圾收集。
分代 ZGC 的引入可以大幅提升在 Java 平台上运行应用程序的性能。通过更频繁地收集年轻对象，分代 ZGC 可以带来更低的延迟、更少的内存开销和更高的 CPU 利用率。这使得它在大多数用例中都成为比非分代 ZGC 更好的解决方案。
JDK24移除了非分代模式。
内存归还问题
- commit 内存: 向操作系统申请并保留的物理内存，jvm随时使用
- uncommit 内存: jvm预留了，但是没有实际占用。操作系统可以拿来用
zgc默认情况下是uncommit 内存，可以使用 -XX:-ZUncommit 禁用这个特性，如果-Xmx 和-Xms设置的一样，也会被隐式禁用。
可以配置 -XX:ZUncommitDelay=（默认300s），设置延迟uncommit 内存的延迟时间
但是此处很奇怪，当系统rss大道limit的时候，且xmx=xms，再监控上，我观察到，jvm释放了一部分内存，暂时没有找到任何文献，有知道的欢迎指教。
ZGC相关调优参数
通用调参
| 参数 | 注释 |
|---|---|
-Xms |
最小堆大小 |
-Xmx |
最大堆大小 |
-XX:SoftMaxHeapSize |
ZGC 的软上限，GC 会尽量控制堆不超过这个值（非硬限制） |
-XX:ConcGCThreads |
并发 GC 阶段使用的线程数（如并发标记） |
-XX:ParallelGCThreads |
Stop-The-World 阶段使用的并行线程数（如初始标记） |
-XX:+UseDynamicNumberOfGCThreads |
根据系统负载动态调整 GC 线程数 |
-XX:+UseLargePages |
启用大页内存（HugePages，手动配置） |
-XX:+UseTransparentHugePages |
启用透明大页（由操作系统自动分配） |
-XX:+UseNUMA |
在 NUMA 架构下启用内存亲和性优化 |
-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB |
每 MB 空闲堆内存对应的 SoftReference 最小保留时间（毫秒） |
-XX:AllocateHeapAt=<路径> |
将堆内存分配到指定挂载路径（如持久内存或大页挂载点） |
ZGC特有
| 参数 | 注释 |
|---|---|
-XX:ZAllocationSpikeTolerance=<百分比> |
忍受内存分配突增的阈值，超过该值可能触发 GC，默认约 2% |
-XX:ZCollectionInterval=<秒> |
主动 GC 的最小间隔时间（节流用） |
-XX:ZFragmentationLimit=<百分比> |
堆碎片率超过该阈值时触发 GC，默认 25% |
-XX:ZMarkStackSpaceLimit=<字节> |
标记阶段内部栈最多可使用的内存大小 |
-XX:+ZProactive |
启用主动 GC，即使没有明显内存压力也会周期收集 |
-XX:+ZUncommit / -XX:-ZUncommit |
开启/关闭自动释放未使用堆内存（返还给操作系统） |
-XX:ZUncommitDelay=<秒> |
堆内存空闲多久后可被释放，默认 300 秒 |
ZGC诊断
| 参数 | 注释 |
|---|---|
-XX:ZStatisticsInterval=<秒> |
设置 GC 统计信息的输出间隔，默认 10 秒 |
-XX:+ZVerifyForwarding |
验证对象转发指针的正确性（调试用） |
-XX:+ZVerifyMarking |
验证标记阶段是否完整（调试用） |
-XX:+ZVerifyObjects |
验证堆中对象的结构完整性（调试用） |
-XX:+ZVerifyRoots |
验证 GC 根集合的准确性（调试用） |
-XX:+ZVerifyViews |
验证 ZGC 内部视图映射关系是否正确（调试用） |
-XX:ZYoungGCThreads |
年轻代 GC 所使用的线程数（仅 ZGC 有效） |
-XX:ZOldGCThreads |
老年代 GC 所使用的线程数（仅 ZGC 有效） |
-XX:+ZBufferStoreBarriers |
启用写屏障缓冲（用于优化写屏障性能） |
参考文献