在 Java 的垃圾回收（GC）技術(shù)演進中，G1（Garbage-First）曾是面向服務(wù)器端應(yīng)用的重要里程碑，但 ZGC（Z Garbage Collector）的誕生標志著低延遲和大內(nèi)存管理能力的又一次飛躍。

1.設(shè)計目標：從「可控停頓」到「極致低延遲」

G1 的局限性

G1 的核心目標是提供 可預(yù)測的停頓時間（通過 -XX:MaxGCPauseMillis 參數(shù)控制），但這一目標在大堆內(nèi)存（如 TB 級別）場景下面臨挑戰(zhàn)

• 堆內(nèi)存越大，標記和整理階段耗時線性增長，導(dǎo)致實際 STW（Stop-The-World）時間可能超過預(yù)期。
• 分代模型（Eden/Survivor/Old）雖優(yōu)化了對象生命周期管理，但復(fù)雜的內(nèi)存分區(qū)和跨代引用增加了回收開銷。

ZGC 的突破ZGC 直接將設(shè)計目標鎖定為 10ms 以內(nèi)的停頓時間，且無論堆內(nèi)存大小如何，STW 時間幾乎恒定。其核心理念是

• 完全并發(fā)：除初始標記外，所有階段（標記、轉(zhuǎn)移、重定位）均與應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行。
• 無分代設(shè)計：取消傳統(tǒng)分代，通過動態(tài)分區(qū)（Small/Medium/Large Region）靈活管理對象，降低內(nèi)存碎片化風(fēng)險。

2.核心技術(shù)：ZGC 的三大殺手锏

染色指針（Colored Pointers）

原理：在 64 位指針中嵌入 4 位元數(shù)據(jù)（如標記狀態(tài)、內(nèi)存視圖），將 GC 信息存儲在指針而非對象頭中。

優(yōu)勢

• 減少內(nèi)存訪問次數(shù)，避免傳統(tǒng) GC 遍歷對象頭的性能損耗。
• 支持并發(fā)標記和轉(zhuǎn)移，無需 STW 階段即可完成內(nèi)存整理。

對比 G1：G1 依賴對象頭存儲標記信息，導(dǎo)致標記階段需多次訪問對象，且內(nèi)存碎片問題需依賴 STW 整理。

內(nèi)存多重映射（Memory Multi-Mapping）

原理：將同一物理內(nèi)存映射到 Marked0、Marked1、Remapped 三個虛擬內(nèi)存視圖，通過視圖切換實現(xiàn)并發(fā)內(nèi)存整理。

優(yōu)勢

• 對象轉(zhuǎn)移僅需修改指針視圖，無需復(fù)制實際數(shù)據(jù)，大幅降低延遲。
• 支持 TB 級堆內(nèi)存的高效管理，突破 G1 的堆容量限制。

對比 G1：G1 的 Region 固定大小且需手動調(diào)整，大對象（Humongous Region）分配易導(dǎo)致內(nèi)存碎片。

并發(fā)內(nèi)存壓縮（Concurrent Compaction）

原理：通過增量式并發(fā)轉(zhuǎn)移，將存活對象逐步遷移到新 Region，同時更新引用關(guān)系。

優(yōu)勢

• 避免 G1 的 Mixed GC 階段因堆增長導(dǎo)致的 STW 時間波動。
• 內(nèi)存碎片率趨近于零，無需 Full GC 即可維持堆的連續(xù)性。

對比 G1：G1 的篩選回收階段需 STW 整理 Region，且碎片問題可能觸發(fā) Full GC。

3.性能表現(xiàn)：ZGC 的實戰(zhàn)優(yōu)勢

典型場景對比

• G1：某電商后臺系統(tǒng)（堆內(nèi)存 16GB）通過 -XX:MaxGCPauseMillis=200 實現(xiàn) 200ms 內(nèi)的停頓，但突發(fā)流量時偶發(fā) 500ms+ 延遲。
• ZGC：某金融交易系統(tǒng)（堆內(nèi)存 128GB）啟用 ZGC 后，GC 停頓穩(wěn)定在 1ms 以內(nèi)，99.99% 請求延遲低于 10ms。

4.調(diào)優(yōu)實踐：如何最大化 ZGC 性能

基礎(chǔ)參數(shù)配置（JDK 17+ 示例）

-XX:+UseZGC  
-Xms64g -Xmx128g  
-XX:Cnotallow=8  # 并發(fā)線程數(shù)（CPU 核數(shù) 1/4）  
-XX:SoftMaxHeapSize=144g  # 允許彈性擴容

內(nèi)存預(yù)熱

• 啟用 -XX:+AlwaysPreTouch 避免運行時內(nèi)存分配抖動。

監(jiān)控指標

• 關(guān)注 jvm.gc.pause（STW 時間）、jvm.gc.allocation.rate（分配速率）等指標，動態(tài)調(diào)整線程數(shù)。

5.未來展望：ZGC 的進化方向

分代 ZGC（JDK 21+）：引入分代模型，降低年輕代回收開銷。

跨平臺支持：逐步擴展對 Windows 和 ARM 架構(gòu)的支持。

默認 GC 候選：隨著低延遲需求增長，ZGC 或取代 G1 成為 JDK 默認回收器。

6.小結(jié)

ZGC 通過染色指針、內(nèi)存多重映射等創(chuàng)新技術(shù)，解決了 G1 在大堆和低延遲場景的瓶頸，成為實時系統(tǒng)、云原生應(yīng)用的理想選擇。盡管其 CPU 開銷略高，但隨著硬件性能提升和分代 ZGC 的成熟，這一差距正逐步縮小。對于開發(fā)者而言，掌握 ZGC 的核心原理與調(diào)優(yōu)技巧，是構(gòu)建高性能 Java 應(yīng)用的必經(jīng)之路。