ZGC 深度解析

ZGC（Z Garbage Collector）是 Oracle 于 Java 11 引入的低延迟垃圾收集器，Java 15 正式生产可用。ZGC 的核心目标是：将停顿时间控制在 10ms 以内，同时支持数百 GB 甚至 TB 级别的堆内存。

ZGC 的创新在于：几乎所有 GC 阶段都与应用并发执行，Stop The World 时间与堆大小无关，始终保持在亚毫秒级别。

ZGC 设计目标

ZGC 的设计目标是解决传统收集器的痛点：

问题	Serial/Parallel	CMS	G1	ZGC
停顿时间	长（随堆增长）	较短	可控	`<1ms`
停顿时间与堆大小关系	线性增长	线性增长	有关	无关
最大堆支持	-	`~4GB`	`~100GB`	`>16TB`
内存碎片	无	有	可控	无
吞吐量	高	中	中高	高

ZGC 工作原理

着色指针（Colored Pointers）

ZGC 使用着色指针（Colored Pointers）在对象头中存储 GC 状态信息：

flowchart LR
    subgraph 对象头["64位对象头"]
        M0["Marked0\n位"]:::bit
        M1["Marked1\n位"]:::bit
        R["Remapped\n位"]:::bit
        F["Finalizable\n位"]:::bit
        Unused["未使用"]
    end
    
    style M0 fill:#5f27cd,color:#fff
    style M1 fill:#ff6b6b,color:#fff
    style R fill:#00b894
    style F fill:#fdcb6e

位	名称	说明
M0	Marked0	标记位，第一次标记
M1	Marked1	标记位，第二次标记
R	Remapped	对象是否已重定位
F	Finalizable	对象是否包含终结器

读屏障（Load Barrier）

ZGC 在每次读取对象引用时执行读屏障，检查对象的着色指针状态：

// ZGC 读屏障的简化实现
public class ZGCLoadBarrier {
    public Object loadObjectReference(Object* ref) {
        Object obj = *ref;  // 读取引用
        
        // 读屏障检查
        if (needsRelocation(obj)) {
            // 对象正在被 GC 移动，触发自愈
            obj = relocate(obj);
        }
        
        return obj;
    }
    
    private boolean needsRelocation(Object obj) {
        // 检查 Remapped 位
        return !isRemapped(obj) && 
               (inEvacuationPhase() || !inMarkingPhase());
    }
    
    private Object relocate(Object obj) {
        // 转发指针指向新位置
        Object newObj = forwardingTable.get(obj);
        // 自愈：更新引用
        *ref = newObj;
        return newObj;
    }
}

ZGC 工作阶段

ZGC 的工作分为三个主要阶段，每个阶段都尽量与应用并发执行：

flowchart TB
    subgraph 标记阶段["标记阶段"]
        IM["初始标记\nStop The World\n~0.1ms"]
        CM["并发标记"]
        RM["再标记\nStop The World\n~0.1ms"]
    end
    
    subgraph 转移阶段["转移阶段"]
        CRP["并发转移准备"]
        IR["初始转移\nStop The World\n~0.1ms"]
        CT["并发转移"]
    end
    
    subgraph 重定位阶段["重定位阶段"]
        CR["并发重定位"]
    end
    
    IM --> CM --> RM
    RM --> CRP --> IR --> CT --> CR --> IM

阶段一：并发标记

初始标记：Stop The World，标记 GC Roots 直接引用的对象（<0.1ms）
并发标记：与应用并发执行，遍历对象图，标记存活对象
再标记：Stop The World，处理并发标记阶段的变更（<0.1ms）

阶段二：并发转移

转移准备：计算哪些 Region 需要转移，确定转移预算
初始转移：Stop The World，转移 GC Roots 引用的对象（<0.1ms）
并发转移：与应用并发执行，转移需要回收的 Region 中的对象

阶段三：并发重定位

并发重定位与应用并发执行，更新所有对已转移对象的引用。

ZGC 性能特点

停顿时间不随堆增长

传统收集器的停顿时间随堆大小线性增长，而 ZGC 的停顿时间始终保持在亚毫秒级别：

flowchart TB
    subgraph 停顿时间["停顿时间 vs 堆大小"]
        ZGC["ZGC\n~0.5ms"]:::line
        G1["G1\n~50-200ms"]:::line
        CMS["CMS\n~100-500ms"]:::line
        
        subgraph 图例
            L1["停顿时间随堆增长"]
            L2["停顿时间恒定"]
        end
    end
    
    subgraph 堆大小
        H1["4GB"]
        H2["8GB"]
        H3["16GB"]
        H4["32GB"]
    end
    
    ZGC -.- H1
    G1 --> H2
    CMS --> H3

吞吐量损失

ZGC 的并发执行带来吞吐量损失，通常为 5%~15%：

收集器	吞吐量	停顿时间	最大堆
ZGC	85%~95%	`<1ms`	`>16TB`
G1	90%~95%	100~200ms	`~100GB`
Parallel	95%+	很长	-

配置参数

启用 ZGC

# Java 15+ 启用 ZGC
java -XX:+UseZGC -Xms32g -Xmx32g -jar application.jar

# Java 11-14 启用 ZGC
java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -Xms32g -Xmx32g -jar application.jar

核心参数

参数	说明	示例
`-Xmx`	最大堆大小	`-Xmx64g`
`-XX:zAllocationSpikeTolerance`	分配突发容忍度	`-XX:zAllocationSpikeTolerance=3`
`-XX:zContainerSupport`	容器支持	`-XX:-zContainerSupport`
`-XX:zConcurrentGCThreads`	并发 GC 线程数	`-XX:zConcurrentGCThreads=8`
`-XX:zUncommitDelayMillis`	内存归还延迟	`-XX:zUncommitDelayMillis=300000`

适用场景

ZGC 适合以下场景：

超大内存：>16GB 堆内存，ZGC 的停顿时间优势明显
极低延迟：金融交易、游戏服务器、实时系统
高可用要求：无法接受长时间 GC 停顿的业务
容器化部署：容器内存 >8GB

# ZGC 推荐配置
java -XX:+UseZGC \
    -Xms64g -Xmx64g \
    -XX:+ZGenerational \
    -XX:zAllocationSpikeTolerance=5 \
    -XX:+AlwaysPreTouch \
    -Xlog:gc*:file=gc.log:time,uptime,level,tags \
    -jar application.jar

ZGC 的限制

ZGC 不是银弹，有以下限制：

不支持指针压缩：ZGC 使用完整的 64 位地址，不支持 -XX:+UseCompressedOops
不支持类数据共享：不支持 -Xshare
内存不归还不及时：ZGC 默认延迟 5 分钟才归还未使用内存
不支持 JDK Flight Recorder 的某些功能

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