重温 Java 21 之分代式 ZGC

想要搞清楚 Java 21 中的 分代式 ZGC（Generational ZGC） 这个特性，我们需要先搞清楚什么是 ZGC。

ZGC 简介

ZGC（The Z Garbage Collector） 是由 Oracle 开发的一款垃圾回收器，最初在 Java 11 中以实验性功能推出，并经过几个版本的迭代，最终在 Java 15 中被宣布为 Production Ready，相比于其他的垃圾回收器，ZGC 更适用于大内存、低延迟服务的内存管理和回收。下图展示的是不同的垃圾回收器所专注的目标也各不相同：

低延迟服务的最大敌人是 GC 停顿，所谓 GC 停顿指的是垃圾回收期间的 STW（Stop The World） ，当 STW 时，所有的应用线程全部暂停，等待 GC 结束后才能继续运行。要想实现低延迟，就要想办法减少 GC 的停顿时间，根据 JEP 333 的介绍，最初 ZGC 的目标是：

• GC 停顿时间不超过 10ms；
• 支持处理小到几百 MB，大到 TB 量级的堆；
• 相对于使用 G1，应用吞吐量的降低不超过 15%；

经过几年的发展，目前 ZGC 的最大停顿时间已经优化到了不超过 1 毫秒（Sub-millisecond，亚毫秒级），且停顿时间不会随着堆的增大而增加，甚至不会随着 root-set 或 live-set 的增大而增加（通过 JEP 376 Concurrent Thread-Stack Processing 实现），支持处理最小 8MB，最大 16TB 的堆：

ZGC 之所以能实现这么快的速度，不仅是因为它在算法上做了大量的优化和改进，而且还革命性的使用了大量的创新技术，包括：

• Concurrent：全链路并发，ZGC 在整个垃圾回收阶段几乎全部实现了并发；
• Region-based：和 G1 类似，ZGC 是一种基于区域的垃圾回收器；
• Compacting：垃圾回收的过程中，ZGC 会产生内存碎片，所以要进行内存整理；
• NUMA-aware：NUMA 全称 Non-Uniform Memory Access（非一致内存访问），是一种多内存访问技术，使用 NUMA，CPU 会访问离它最近的内存，提升读写效率；
• Using colored pointers：染色指针是一种将数据存放在指针里的技术，ZGC 通过染色指针来标记对象，以及实现对象的多重视图；
• Using load barriers：当应用程序从堆中读取对象引用时，JIT 会向应用代码中注入一小段代码，这就是读屏障；通过读屏障操作，不仅可以让应用线程帮助完成对象的标记（mark），而且当对象地址发生变化时，还能自动实现对象转移（relocate）和重映射（remap）；

关于这些技术点，网上的参考资料有很多，有兴趣的同学可以通过本文的更多部分进一步学习，其中最有意思的莫过于 染色指针 和 读屏障，下面重点介绍这两项。

染色指针

在 64 位的操作系统中，一个指针有 64 位，但是由于内存大小限制，其实有很多高阶位是用不上的，所以我们可以在指针的高阶位中嵌入一些元数据，这种在指针中存储元数据的技术就叫做 染色指针（Colored Pointers）。染色指针是 ZGC 的核心设计之一，以前的垃圾回收器都是使用对象头来标记对象，而 ZGC 则通过染色指针来标记对象。ZGC 将一个 64 位的指针划分成三个部分：

其中，前面的 16 位暂时没用，预留给以后使用；后面的 44 位表示对象的地址，所以 ZGC 最大可以支持 2^44=16T 内存；中间的 4 位即染色位，分别是：

• Finalizable：标识这个对象只能通过 Finalizer 才能访问；
• Remapped：标识这个对象是否在转移集（Relocation Set）中；
• Marked1：用于标记可到达的对象（活跃对象）；
• Marked0：用于标记可到达的对象（活跃对象）；

此外，染色指针不仅用来标记对象，还可以实现对象地址的多重视图，上述 Marked0、Marked1、Remapped 三个染色位其实代表了三种地址视图，分别对应三个虚拟地址，这三个虚拟地址指向同一个物理地址，并且在同一时间，三个虚拟地址有且只有一个有效，整个视图映射关系如下：

这三个地址视图的切换是由垃圾回收的不同阶段触发的：

• 初始化阶段：程序启动时，ZGC 完成初始化，整个堆内存空间的地址视图被设置为 Remapped；
• 标记阶段：当进入标记阶段时，视图转变为 Marked0 或者 Marked1；
• 转移阶段：从标记阶段结束进入转移阶段时，视图再次被设置为 Remapped；

读屏障

读屏障（Load Barriers） 是 ZGC 的另一项核心技术，当应用程序从堆中读取对象引用时，JIT 会向应用代码中注入一小段代码：

在上面的代码示例中，只有第一行是从堆中读取对象引用，所以只会在第一行后面注入代码，注入的代码类似于这样：

String n = person.name; // Loading an object reference from heap
if (n & bad_bit_mask) {
  slow_path(register_for(n), address_of(person.name));
}

这行代码虽然简单，但是用途却很大，在垃圾回收的不同阶段，触发的逻辑也有所不同：在标记阶段，通过读屏障操作，可以让应用线程帮助 GC 线程一起完成对象的标记或重映射；在转移阶段，如果对象地址发生变化，还能自动实现对象转移。

ZGC 工作流程

整个 ZGC 可以划分成下面六个阶段：

其中有三个是 STW 阶段，尽管如此，但是 ZGC 对 STW 的停顿时间有着严格的要求，一般不会超过 1 毫秒。这六个阶段的前三个可以统称为 标记（Mark）阶段：

• Pause Mark Start - 标记开始阶段，将地址视图被设置成 Marked0 或 Marked1（交替设置）；这个阶段会 STW，它只标记 GC Roots 直接可达的对象，GC Roots 类似于局部变量，通过它可以访问堆上其他对象，这样的对象不会太多，所以 STW 时间很短；
• Concurrent Mark/Remap - 并发标记阶段，GC 线程和应用线程是并发执行的，在第一步的基础上，继续往下标记存活的对象；另外，这个阶段还会对上一个 GC 周期留下来的失效指针进行重映射修复；
• Pause Mark End - 标记结束阶段，由于并发标记阶段应用线程还在运行，所以可能会修改对象的引用，导致漏标，这个阶段会标记这些漏标的对象；

ZGC 的后三个阶段统称为 转移（Relocation）阶段（也叫重定位阶段）：

• Concurrent Prepare for Relocate - 为转移阶段做准备，比如筛选所有可以被回收的页面，将垃圾比较多的页面作为接下来转移候选集（EC）；
• Pause Relocate Start - 转移开始阶段，将地址视图从 Marked0 或者 Marked1 调整为 Remapped，从 GC Roots 出发，遍历根对象的直接引用的对象，对这些对象进行转移；
• Concurrent Relocate - 并发转移阶段，将之前选中的转移集中存活的对象移到新的页面，转移完成的页面即可被回收掉，并发转移完成之后整个 ZGC 周期完成。注意这里只转移了对象，并没有对失效指针进行重映射，ZGC 通过转发表存储旧地址到新地址的映射，如果这个阶段应用线程访问这些失效指针，会触发读屏障机制自动修复，对于没有访问到的失效指针，要到下一个 GC 周期的并发标记阶段才会被修复。

为什么要分代？

在 ZGC 面世之前，Java 内置的所有垃圾回收器都实现了分代回收（G1 是逻辑分代）：

垃圾回收器（别名）	用法	说明
Serial GC、Serial Copying	-XX:+UseSerialGC	串行，用于年轻代，使用复制算法
Serial Old、MSC	-XX:+UseSerialOldGC	串行，用于老年代，使用标记-整理算法
ParNew GC	-XX:+UseParNewGC	Serial GC 的并行版本，用于年轻代，使用复制算法
Parallel GC、Parallel Scavenge	-XX:+UseParallelGC	并行，用于年轻代，使用复制算法
Parallel Old、Parallel Compacting	-XX:+UseParallelOldGC	并行，用于老年代，使用标记-整理算法
CMS、Concurrent Mark Sweep	-XX:+UseConcMarkSweepGC	并发，用于老年代，使用标记-清除算法
G1、Garbage First	-XX:+UseG1GC	并发，既可以用于年轻代，也可以用于老年代，使用复制 + 标记-整理算法，用来取代 CMS

这些分代回收器之间可以搭配使用，周志明老师在《深入理解 Java 虚拟机》这本书中总结了各种回收器之间的关系：

其中，Serial + CMS 和 ParNew + Serial Old 这两个组件在 Java 9 之后已经被取消，而 CMS 与 Serial Old 之间的连线表示 CMS 在并发失败的时候（Concurrent Mode Failure）会切换成 Serial Old 备用方案。

分代的基本思想源自于 弱分代假说（Weak Generational Hypothesis），这个假说认为绝大部分对象都是朝生夕死的，也就是说年轻对象往往很快死去，而老对象往往会保留下来。根据这个假说，JVM 将内存区域划分为 年轻代（Young Generation） 和 老年代（Old Generation） ，新生代又进一步划分为 伊甸园区（Eden） 、第一幸存区（S0） 和 第二幸存区（S1）。

伊甸园区用来分配新创建的对象，如果没有足够的空间，就会触发一次 年轻代 GC（Young GC，Minor GC） 来释放内存空间，这里一般使用 标记-复制（Mark-Copy） 算法，将存活的对象标记下来，然后复制到一个幸存区中；年轻代的内存空间一般较小，所以可以更频繁地触发 GC，清理掉那些朝生夕死的对象，从而提高应用程序的性能；如果 GC 后伊甸园区还没有足够的空间存放新创建的对象，或者幸存区中某个对象的存活时间超过一定的阈值，这时就会将对象分配到老年代，如果老年代的空间也满了，就会触发一次 老年代 GC（Old GC，Full GC）；老年代的内存空间要大的多，而且其中的对象大部分是存活的，GC 发生的频率要小很多，所以不再使用标记-复制算法，而是采用移动对象的方式来实现内存碎片的整理。

但是在上面的 ZGC 的工作流程中，我们却没有看到分代的影子，这也就意味着每次 ZGC 都是对整个堆空间进行扫描，尽管 ZGC 的 STW 时间已经被优化到不到 1ms，但是其他几个阶段是和应用线程一起执行的，这势必会影响到应用程序的吞吐量。让 ZGC 支持分代是一项巨大的工程，开发团队足足花了三年时间才让我们有幸在 Java 21 中体验到这一令人激动的特性。

除了 ZGC，Java 11 之后还引入了一些新的垃圾回收器：

垃圾回收器	用法	说明
ZGC	-XX:+UseZGC	低延迟 GC，from JDK 11
Epsilon GC	-XX:+UseEpsilonGC	No-op GC，什么都不做，用于测试，from JDK 11
Shenandoah	-XX:+UseShenandoahGC	CPU 密集型 GC，from JDK 12

ZGC 实践

使用 -XX:+PrintCommandLineFlags，可以打印出 Java 的默认命令行参数：

$ java -XX:+PrintCommandLineFlags -version
-XX:ConcGCThreads=1 -XX:G1ConcRefinementThreads=4 -XX:GCDrainStackTargetSize=64 -XX:InitialHeapSize=128639872 -XX:MarkStackSize=4194304 -XX:MaxHeapSize=2058237952 -XX:MinHeapSize=6815736 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:ReservedCodeCacheSize=251658240 -XX:+SegmentedCodeCache -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseG1GC 
openjdk version "21" 2023-09-19
OpenJDK Runtime Environment (build 21+35-2513)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 21+35-2513, mixed mode, sharing)

从上面的结果可以看出，Java 21 默认使用的仍然是 G1 垃圾回收器，它从 Java 9 就开始做为默认垃圾回收器了。

注意：Java 8 中默认的垃圾回收器是 Parallel GC。

如果想开启 ZGC，我们需要加上 -XX:+UseZGC 参数：

$ java -XX:+UseZGC -Xmx100M -Xlog:gc ZgcTest.java

其中 -Xlog:gc 参数表示打印出 GC 过程中的日志（就是 Java 8 的 -XX:+PrintGC 参数），输出结果如下：

[0.157s][info][gc] Using The Z Garbage Collector
[0.420s][info][gc] GC(0) Garbage Collection (Warmup) 14M(14%)->12M(12%)
[0.472s][info][gc] GC(1) Garbage Collection (System.gc()) 18M(18%)->8M(8%)

也可以使用 -Xlog:gc* 参数打印出 GC 过程中的详细日志（就是 Java 8 的 -XX+PrintGCDetails 参数），输出结果如下：

$ java -XX:+UseZGC -Xmx100M -Xlog:gc* ZgcTest.java
[0.010s][info][gc,init] Initializing The Z Garbage Collector
[0.011s][info][gc,init] Version: 21+35-2513 (release)
[0.011s][info][gc,init] Using legacy single-generation mode
[0.011s][info][gc,init] Probing address space for the highest valid bit: 47
[0.011s][info][gc,init] NUMA Support: Disabled
[0.011s][info][gc,init] CPUs: 4 total, 4 available
[0.011s][info][gc,init] Memory: 7851M
[0.011s][info][gc,init] Large Page Support: Disabled
[0.011s][info][gc,init] GC Workers: 1 (dynamic)
[0.011s][info][gc,init] Address Space Type: Contiguous/Unrestricted/Complete
[0.011s][info][gc,init] Address Space Size: 1600M x 3 = 4800M
[0.011s][info][gc,init] Heap Backing File: /memfd:java_heap
[0.011s][info][gc,init] Heap Backing Filesystem: tmpfs (0x1021994)
[0.012s][info][gc,init] Min Capacity: 8M
[0.012s][info][gc,init] Initial Capacity: 100M
[0.012s][info][gc,init] Max Capacity: 100M
[0.012s][info][gc,init] Medium Page Size: N/A
[0.012s][info][gc,init] Pre-touch: Disabled
[0.012s][info][gc,init] Available space on backing filesystem: N/A
[0.014s][info][gc,init] Uncommit: Enabled
[0.014s][info][gc,init] Uncommit Delay: 300s
[0.134s][info][gc,init] Runtime Workers: 1
[0.134s][info][gc     ] Using The Z Garbage Collector
[0.149s][info][gc,metaspace] CDS archive(s) mapped at: [0x0000006800000000-0x0000006800cb0000-0x0000006800cb0000), size 13303808, SharedBaseAddress: 0x0000006800000000, ArchiveRelocationMode: 1.[0.149s][info][gc,metaspace] Compressed class space mapped at: 0x0000006801000000-0x0000006841000000, reserved size: 1073741824
[0.149s][info][gc,metaspace] Narrow klass base: 0x0000006800000000, Narrow klass shift: 0, Narrow klass range: 0x100000000
[0.357s][info][gc,start    ] GC(0) Garbage Collection (Warmup)
[0.357s][info][gc,task     ] GC(0) Using 1 workers
[0.357s][info][gc,phases   ] GC(0) Pause Mark Start 0.007ms
[0.366s][info][gc,phases   ] GC(0) Concurrent Mark 8.442ms
[0.366s][info][gc,phases   ] GC(0) Pause Mark End 0.005ms
[0.366s][info][gc,phases   ] GC(0) Concurrent Mark Free 0.000ms
[0.367s][info][gc,phases   ] GC(0) Concurrent Process Non-Strong References 1.092ms
[0.367s][info][gc,phases   ] GC(0) Concurrent Reset Relocation Set 0.000ms
[0.373s][info][gc,phases   ] GC(0) Concurrent Select Relocation Set 5.587ms
[0.373s][info][gc,phases   ] GC(0) Pause Relocate Start 0.003ms
[0.375s][info][gc,phases   ] GC(0) Concurrent Relocate 2.239ms
[0.375s][info][gc,load     ] GC(0) Load: 0.65/0.79/0.63
[0.375s][info][gc,mmu      ] GC(0) MMU: 2ms/99.7%, 5ms/99.9%, 10ms/99.9%, 20ms/99.9%, 50ms/100.0%, 100ms/100.0%
[0.375s][info][gc,marking  ] GC(0) Mark: 1 stripe(s), 2 proactive flush(es), 1 terminate flush(es), 0 completion(s), 0 continuation(s) 
[0.375s][info][gc,marking  ] GC(0) Mark Stack Usage: 32M
[0.375s][info][gc,nmethod  ] GC(0) NMethods: 889 registered, 90 unregistered
[0.375s][info][gc,metaspace] GC(0) Metaspace: 8M used, 8M committed, 1088M reserved
[0.375s][info][gc,ref      ] GC(0) Soft: 142 encountered, 0 discovered, 0 enqueued
[0.375s][info][gc,ref      ] GC(0) Weak: 747 encountered, 602 discovered, 224 enqueued
[0.375s][info][gc,ref      ] GC(0) Final: 0 encountered, 0 discovered, 0 enqueued
[0.375s][info][gc,ref      ] GC(0) Phantom: 146 encountered, 144 discovered, 143 enqueued
[0.375s][info][gc,reloc    ] GC(0) Small Pages: 7 / 14M, Empty: 0M, Relocated: 3M, In-Place: 0
[0.375s][info][gc,reloc    ] GC(0) Large Pages: 1 / 2M, Empty: 0M, Relocated: 0M, In-Place: 0
[0.375s][info][gc,reloc    ] GC(0) Forwarding Usage: 1M
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0) Min Capacity: 8M(8%)
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0) Max Capacity: 100M(100%)
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0) Soft Max Capacity: 100M(100%)
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0)                Mark Start          Mark End        Relocate Start      Relocate End           High               Low         
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0)  Capacity:      100M (100%)        100M (100%)        100M (100%)        100M (100%)        100M (100%)        100M (100%)   
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0)      Free:       84M (84%)          82M (82%)          82M (82%)          88M (88%)          88M (88%)          78M (78%)    
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0)      Used:       16M (16%)          18M (18%)          18M (18%)          12M (12%)          22M (22%)          12M (12%)    
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0)      Live:         -                 6M (6%)            6M (6%)            6M (6%)             -                  -          
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0) Allocated:         -                 2M (2%)            2M (2%)            3M (4%)             -                  -          
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0)   Garbage:         -                 9M (10%)           9M (10%)           1M (2%)             -                  -          
[0.375s][info][gc,heap     ] GC(0) Reclaimed:         -                  -                 0M (0%)            7M (8%)             -                  -          
[0.375s][info][gc          ] GC(0) Garbage Collection (Warmup) 16M(16%)->12M(12%)
[0.403s][info][gc,start    ] GC(1) Garbage Collection (System.gc())
[0.403s][info][gc,task     ] GC(1) Using 1 workers
[0.403s][info][gc,phases   ] GC(1) Pause Mark Start 0.006ms
[0.410s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Mark 7.316ms
[0.410s][info][gc,phases   ] GC(1) Pause Mark End 0.006ms
[0.410s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Mark Free 0.001ms
[0.412s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Process Non-Strong References 1.621ms
[0.412s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Reset Relocation Set 0.001ms
[0.414s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Select Relocation Set 2.436ms
[0.414s][info][gc,phases   ] GC(1) Pause Relocate Start 0.003ms
[0.415s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Relocate 0.865ms
[0.415s][info][gc,load     ] GC(1) Load: 0.65/0.79/0.63
[0.415s][info][gc,mmu      ] GC(1) MMU: 2ms/99.7%, 5ms/99.8%, 10ms/99.9%, 20ms/99.9%, 50ms/100.0%, 100ms/100.0%
[0.415s][info][gc,marking  ] GC(1) Mark: 1 stripe(s), 2 proactive flush(es), 1 terminate flush(es), 0 completion(s), 0 continuation(s) 
[0.415s][info][gc,marking  ] GC(1) Mark Stack Usage: 32M
[0.415s][info][gc,nmethod  ] GC(1) NMethods: 983 registered, 129 unregistered
[0.415s][info][gc,metaspace] GC(1) Metaspace: 9M used, 9M committed, 1088M reserved
[0.415s][info][gc,ref      ] GC(1) Soft: 155 encountered, 0 discovered, 0 enqueued
[0.415s][info][gc,ref      ] GC(1) Weak: 729 encountered, 580 discovered, 58 enqueued
[0.415s][info][gc,ref      ] GC(1) Final: 0 encountered, 0 discovered, 0 enqueued
[0.415s][info][gc,ref      ] GC(1) Phantom: 49 encountered, 47 discovered, 46 enqueued
[0.415s][info][gc,reloc    ] GC(1) Small Pages: 6 / 12M, Empty: 0M, Relocated: 1M, In-Place: 0
[0.415s][info][gc,reloc    ] GC(1) Large Pages: 2 / 4M, Empty: 2M, Relocated: 0M, In-Place: 0
[0.415s][info][gc,reloc    ] GC(1) Forwarding Usage: 0M
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1) Min Capacity: 8M(8%)
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1) Max Capacity: 100M(100%)
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1) Soft Max Capacity: 100M(100%)
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1)                Mark Start          Mark End        Relocate Start      Relocate End           High               Low         
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1)  Capacity:      100M (100%)        100M (100%)        100M (100%)        100M (100%)        100M (100%)        100M (100%)   
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1)      Free:       84M (84%)          84M (84%)          84M (84%)          92M (92%)          92M (92%)          82M (82%)    
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1)      Used:       16M (16%)          16M (16%)          16M (16%)           8M (8%)           18M (18%)           8M (8%)     
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1)      Live:         -                 4M (5%)            4M (5%)            4M (5%)             -                  -          
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1) Allocated:         -                 0M (0%)            2M (2%)            2M (2%)             -                  -          
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1)   Garbage:         -                11M (11%)           9M (9%)            1M (1%)             -                  -          
[0.415s][info][gc,heap     ] GC(1) Reclaimed:         -                  -                 2M (2%)           10M (10%)            -                  -          
[0.415s][info][gc          ] GC(1) Garbage Collection (System.gc()) 16M(16%)->8M(8%)
[0.416s][info][gc,heap,exit] Heap
[0.416s][info][gc,heap,exit]  ZHeap           used 8M, capacity 100M, max capacity 100M
[0.416s][info][gc,heap,exit]  Metaspace       used 9379K, committed 9600K, reserved 1114112K
[0.416s][info][gc,heap,exit]   class space    used 1083K, committed 1216K, reserved 1048576K

从日志中可以看到 ZGC 的整个过程。默认情况下并没有开启分代式 ZGC，如果想开启分代式 ZGC，我们还需要加上 -XX:+ZGenerational 参数：

$ java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational -Xmx100M -Xlog:gc* ZgcTest.java

这个输出比较多，此处就省略了，从输出中可以看到不同分代的回收情况。关于 ZGC，还有很多微调参数，详细内容可参考 ZGC 的官方文档。

注意，在 Java 23 中分代式 ZGC 已经是默认选项，不需要再用 -XX:+ZGenerational 参数开启，另外，在 Java 24 中非分代模式已被正式移除。

小结

今天我们学习了 Java 21 引入的 分代式 ZGC（Generational ZGC） 这一新的垃圾回收特性，它在原有 ZGC 的基础上融入了分代回收的思想，进一步优化了应用的吞吐量和延迟性能。

单代 ZGC 汇聚了多个技术创新，包括 染色指针 和 读屏障 等技术，具有亚毫秒级的 STW 延迟，但由于每次 GC 都要扫描整个堆，这会对应用吞吐量造成影响；分代式 ZGC 继承了 ZGC 的低延迟特性，同时通过分代设计，使得频繁发生的年轻代 GC 更加高效，而老年代 GC 的频率大幅降低，从而实现了更好的整体性能。

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