07-G1&ZGC | FHCY-Study

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1️⃣ G1收集器(-XX:+UseG1GC)

G1 垃圾收集器（Garbage-First GC，启用参数为 -XX:+UseG1GC）是 Oracle JDK 中面向服务端应用的高性能垃圾收集器，自JDK9起成为默认GC。G1的设计目标是：高吞吐、可预测的停顿时间、低碎片化，特别适合大堆内存环境（如 4GB 以上）。

1. G1 的核心设计理念

1️⃣ 区域划分（Region）

G1 将堆划分为多个等大小的 Region（区域），每个 Region 一般为 1MB ~ 32MB，默认是 2048 个 Region。

每个 Region 会被动态标记为不同角色：

Eden 区
Survivor 区
Old 区
Humongous 区：存放大对象（大于 Region 大小一半的对象）

2️⃣ 分代收集，但不固定空间

G1 仍然是分代 GC，分为 Young Generation 和 Old Generation。

Young / Old 的空间不是连续的，而是由多个分散的 Region 动态组成。

2. G1 的垃圾收集过程

1️⃣ Young GC（Minor GC）

回收 Eden + 部分 Survivor，对象晋升到 Old。

采用 并发回收 + 多线程处理，低停顿。

2️⃣ Mixed GC（G1 的关键特点）

回收 Young 区 + 一部分 Old 区。

优化停顿时间和回收效率的平衡：根据“垃圾优先”策略，优先回收垃圾多的 Region。

G1 不再等到 Old 区满再触发 Full GC，而是通过 Mixed GC 做预防式回收。

3️⃣ Full GC（最后手段）

使用 Serial Old GC 实现，单线程，效率低，应尽量避免触发。

3. G1的核心机制

1️⃣ Remembered Set（RSet）

记录引用跨 Region 的引用关系。

每个 Region 都维护一个 RSet，记录“谁引用了我”。

写屏障 + 卡表机制更新 RSet（类似传统 GC 中的 Card Table + Remembered Set 机制）。

2️⃣ 并发标记阶段（Concurrent Marking）

阶段	描述
初始标记（Initial Mark）	标记 GC Roots 引用的对象，只扫描 Survivor 区；伴随 Young GC 发生，停顿。
并发标记（Concurrent Mark）	标记整个堆中存活对象（Tracing GC Roots）。并发进行。
最终标记（Remark）	修正并发标记期间发生的变动。Stop-The-World。
筛选回收（Cleanup）	计算每个 Region 的存活率，筛选可回收的 Region，决定 Mixed GC 回收计划。

4. G1的目标与优势

特性	描述
可预测的停顿时间	支持参数 `-XX:MaxGCPauseMillis=目标毫秒数` 指定期望最大停顿时间（默认 200ms）
并发回收	大量操作在应用线程运行时并发进行，减少 STW（Stop The World）时间
减少碎片	回收以 Region 为单位，天然具备压缩能力，避免老年代碎片化问题
无需手动调优分代比例	自动管理 Eden/Survivor/Old 空间比例

适用场景与注意事项

✅ 适合：

大堆（4GB 以上）

停顿时间敏感的在线系统（如 Web 服务、API 网关）

想避免频繁 Full GC 的场景

⚠️ 不适合：

嵌入式、低内存场景

停顿时间毫秒级别严格控制（如高频交易），可能需使用 ZGC/SHENANDOAH

2️⃣ ZGC收集器(-XX:+UseZGC)

ZGC（Z Garbage Collector，启用参数为 -XX:+UseZGC）是一种低延迟（Low Latency）、可扩展（Scalable）、并发（Concurrent）的垃圾收集器，目标是在任意堆大小下都能将 GC 停顿时间控制在 1ms 以下，适用于延迟敏感型大内存系统。

特性	说明
目标	停顿时间不超过 1ms（即使在 TB 级堆上）
分代模型	默认是非分代 GC（JDK 15 起支持分代）
并发性	几乎所有 GC 工作都在并发阶段完成，最大限度减少 STW
GC 类型	并发标记、并发转移、并发重映射
适用平台	JDK 11+ 开始引入，JDK 15 起稳定；Linux/Windows/macOS 均支持

1. ZGC 的核心原理

基于“染色指针”（Colored Pointer）

ZGC 最大的技术创新是染色指针（colored pointer）：

将对象头（64 位地址的高位）中的部分位用于存储元信息（如标记状态、重定向信息）。

实现无需停顿的标记与重定向。

所有对象访问都通过load barrier（加载屏障）处理其元信息。

并发阶段为主，停顿极短，只有两个 STW：初始标记、重定位开始，耗时通常 <1ms。

阶段	是否 STW	描述
Mark Start	STW（短暂停顿）	初始标记 GC Roots
Mark	并发	遍历堆中所有活对象（并发标记）
Relocate Start	STW（短）	准备对象迁移
Relocate	并发	将对象移动到新位置（并发转移）
Remap	并发	修复指向旧对象的引用

1. 颜色指针

在 ZGC 中，颜色指针是指 在对象引用的高位中嵌入标记位（Metadata），这些位用于表示对象的 GC 状态，例如：

功能	说明
标记对象是否存活	比如对象是否被标记过
标记对象是否已经转发（重定位）	用于并发拷贝阶段
标记使用的是哪一代页表（Remap Table）	实现转发指针

功能	示例
并发标记	标记对象是否存活
转发（relocation）	判断对象是否已迁移
多版本地址映射（Remap）	管理从旧地址到新地址的页表映射关系
压缩地址空间（heap）	使用高位做标志而非扩大地址空间

虽然名字都提到“颜色”，但：

三色标记法：是一种标记算法（白/灰/黑）

颜色指针：是 ZGC 实现中的一种技术手段，与三色标记不直接等价

它们都涉及“颜色”概念，但一个是抽象算法，另一个是具体实现技术。

ZGC 能这样做的原因：

现代 64 位 CPU 并不使用完整的 64 位地址空间（通常只用 48 ~ 52 位）

上位的若干位未用，可用于扩展和标记

ZGC 在 Linux/x86-64 上通过虚拟地址映射实现这种优化

2. Load Barrier（加载屏障）

ZGC 对所有的对象引用读取操作都加了一个透明的 Load Barrier：

该屏障能判断：

当前引用是否指向旧地址

如果是，就 remap 到新地址（通过转发表）

如果对象已被搬迁，就更新引用为新地址

🔁 这是实现 对象地址不变承诺 的关键技术。

3. 转发表（Remap Table）

存储对象从旧地址 → 新地址的映射

Load Barrier 会在 remap 时访问这张表

实现“地址永远可达”

4. 并发重定位（Concurrent Relocation）

搬迁对象时，不停止应用线程

通过转发表、Load Barrier 让访问不会出错

避免大规模 STW 压缩的代价

2. ZGC 垃圾回收流程

1️⃣ Initial Mark（初始标记）

STW（极短暂）

标记 GC Roots

2️⃣ Concurrent Mark（并发标记）

从 GC Roots 开始扫描整个对象图，标记可达对象

并发进行，不阻塞应用线程

3️⃣ Concurrent Prepare for Relocate（并发准备重定位）

计算哪些区域需要移动（碎片整理）

构建转发表（Remap Table）

4️⃣ Relocation Set Selection（选择要压缩的内存区域）

找出可搬迁对象区域

5️⃣ Concurrent Relocate（并发重定位）

将对象从原区域复制到新区域

原对象记录转发地址（forwarding pointer）

6️⃣ Remap（访问时重映射）

所有对旧对象地址的访问通过 Load Barrier 自动 remap 到新地址

3. ZGC 的参数配置

参数	说明
`-XX:+UseZGC`	启用 ZGC
`-Xmx` `-Xms`	设置堆大小（ZGC 适合大堆，推荐至少 8GB+）
`-XX:+ZGenerational`	启用 ZGC 的分代模式（JDK 15+ 支持）
`-XX:ZUncommitDelay=<秒>`	多久释放未使用内存（默认 300 秒）
`-XX:MaxHeapFreeRatio`	空闲内存百分比过高则回收

4. ZGC 的优势与限制

✅ 优势

项目	描述
极低延迟	停顿时间 < 1ms，即使在 TB 级堆上
并发性强	所有关键阶段均为并发，极少暂停
无碎片	搬迁对象后压缩堆，避免内存碎片
可扩展性强	支持大堆（最大可达数 TB）
自动内存回收	支持堆内存自动收缩（按需归还操作系统）

⚠️ 局限

限制项	描述
内存占用较大	因为需要维护元信息和备用空间
依赖 load barrier	性能依赖于平台和指针压缩实现
垃圾产生速率高时表现受限	如果对象分配和存活速率远超回收速率，仍可能 OOM
JDK 版本要求高	建议使用 JDK 17+（长期支持），ZGC 更加稳定

5. 典型使用建议

✅ 适用场景：

大堆、高吞吐场景（8GB ~ 数 TB）

停顿时间敏感型应用（金融、游戏、在线服务）

高并发、低延迟系统（微服务、大数据流处理）

❌ 不推荐场景：

小内存、嵌入式系统

GC 暂停时间不敏感的批处理任务

3️⃣ ZGC vs G1GC 对比

特性	ZGC	G1GC
停顿时间	低于 1ms	目标时间（默认 200ms）
堆支持大小	数 TB	推荐 <= 32GB
是否分代	默认不分代（支持分代）	分代
并发能力	几乎全并发	部分并发
实现复杂度	高（依赖 load barrier）	中

ZGC 与其他 GC 的对比

特性	ZGC	G1GC	CMS	Shenandoah
最小 STW	✅ <10ms	❌ 可能 100ms+	❌ 可能秒级	✅ 极短
并发标记	✅	✅	✅	✅
并发移动对象	✅	❌（STW copy）	❌	✅
适合大堆（TB）	✅	⚠️ 最大几百 GB	❌	✅
多线程并发	✅	✅	⚠️	✅