Java Z 垃圾收集器如何徹底改變記憶體管理

大家好，我是 V 哥，今天的內容來聊一聊 ZGC，Java Z Garbage Collector（ZGC）是一個低延遲垃圾收集器，旨在最佳化記憶體管理，主要用於大記憶體應用場景。它透過以下幾個關鍵創新，徹底改變了傳統Java的記憶體管理方式：

V 哥總結的以下5點，歡迎一起討論。

1. 極低的暫停時間

• ZGC的暫停時間一般保持在10毫秒以下，且不隨堆大小增加而延長，這對需要實時響應的大型應用特別重要。
• 這是透過併發標記和併發重分配技術實現的，不用停頓整個應用來完成垃圾收集任務。

2. 大記憶體支援

• ZGC設計之初就是為TB級堆的記憶體管理而生。相較於G1或CMS等收集器，它能處理更大的記憶體，且不影響效能。

3. 著色指標（Colored Pointers）

• ZGC使用了64位指標的高位來標記物件的不同狀態，實現了物件的可移動性與生命週期管理。這種方法允許物件在不更新引用的情況下在堆內移動。
• 著色指標與載入屏障結合，使得ZGC能高效追蹤物件的狀態，並確保記憶體管理和物件移動的一致性。

4. 併發壓縮和去碎片化

• ZGC可以在不停止應用的情況下進行堆記憶體的壓縮與碎片整理。這提高了記憶體的利用率，使長時間執行的Java應用能夠持續穩定地執行。

5. 分代最佳化

• 雖然ZGC並不區分年輕代和老年代，但其高效的記憶體管理方式使得其在各種生命週期的物件處理上都具備優勢，尤其適合那些生命週期難以預測的物件。

使用場景

• ZGC適合記憶體需求龐大的服務，如實時資料分析、高效能伺服器、線上交易系統等，對低延遲、實時響應有較高要求的Java應用。

ZGC極大提升了Java的記憶體管理能力，使開發者在處理大規模記憶體應用時有了更多選擇，進一步最佳化了應用的效能和響應速度。

在實時資料分析、高效能伺服器和線上交易系統這些場景中，低延遲、高併發和穩定性是至關重要的，而ZGC的特效能夠顯著最佳化這些應用的效能。下面我們具體看看ZGC在每個場景中的應用方式。

1. 實時資料分析

• 特點：實時資料分析通常需要處理大量資料，記憶體需求大，對響應時間的要求較高。特別是在資料流分析、事件處理和大資料統計等應用中，GC停頓會直接影響到資料處理的實時性。
• ZGC最佳化：
  • 低延遲：ZGC的暫停時間保持在10毫秒以下，且不隨堆大小增加。這意味著即使資料量大幅增長，ZGC的GC停頓時間仍然可以忽略不計，從而保證資料分析過程的流暢。
  • 併發記憶體壓縮：ZGC能夠在GC時併發進行記憶體壓縮和去碎片化，避免長時間執行的應用在堆記憶體碎片化後造成的效能下降。這對實時資料分析平臺尤其重要，因為這些應用通常需要長時間持續執行並處理大量動態生成的物件。
  • 大記憶體支援：實時資料分析系統往往需要處理TB級別的資料，ZGC可以高效管理大容量記憶體，從而保障了大資料分析應用的記憶體需求。

2. 高效能伺服器

• 特點：高效能伺服器需要在高併發的環境下快速響應請求，特別是在處理海量短週期請求的服務中，GC停頓可能會造成使用者請求阻塞和系統響應緩慢。
• ZGC最佳化：
  • 併發GC處理：ZGC的標記、壓縮和物件移動等操作幾乎完全併發，不會因GC停頓影響服務響應，從而保證了伺服器的高併發效能。
  • 著色指標：ZGC使用64位的著色指標，允許物件在不更新所有引用的情況下實現遷移。這不僅簡化了記憶體管理，還減少了記憶體碎片，使得服務在高併發場景中能更穩定高效地分配記憶體。
  • 彈性擴充套件：對於高效能伺服器來說，當請求數量暴增時，ZGC能高效管理和分配大記憶體池，以滿足高峰期的資源需求。

3. 線上交易系統

• 特點：線上交易系統（如金融和電商）對延遲要求極高，因為任何GC停頓都會直接影響使用者體驗甚至引發交易錯誤。交易系統還需保障長期穩定執行，避免記憶體洩漏或效能下降。
• ZGC最佳化：
  • 極低GC停頓時間：ZGC的停頓時間通常在幾毫秒級別，這種低延遲特點在交易系統中能大幅減少因GC造成的交易延遲，保證交易過程的順暢。
  • 安全的物件移動：ZGC的著色指標和載入屏障實現了物件的併發移動，不需要在GC期間暫停應用。這種物件移動特性避免了長時間執行的線上系統因GC停頓導致的交易卡頓或延遲。
  • 高吞吐量和可靠性：ZGC的併發壓縮和記憶體碎片管理避免了老年代碎片化帶來的效能下降，使交易系統在高併發、長時間執行環境下能保持穩定的記憶體分配與管理能力。

小結

• 低延遲、高併發、穩定性保障：ZGC以低延遲的GC停頓、高效的大記憶體管理和併發垃圾收集等特性，能夠有效應對實時資料分析、高效能伺服器和線上交易系統的挑戰。
• 降低記憶體碎片化風險：ZGC的併發記憶體壓縮和去碎片化機制確保在長時間執行下應用仍保持穩定和高效。
• 適應複雜多樣的場景：無論是需快速響應的實時系統還是追求穩定性和低延遲的線上服務，ZGC的先進記憶體管理方式都提供了顯著的效能提升，使得應用無需受限於傳統GC的限制。

如何使用 ZGC

要在Java中啟用Z Garbage Collector（ZGC），咱們可以在啟動Java應用時透過以下步驟配置JVM引數來開啟ZGC，看 V哥一一道來。

1. 檢查JVM版本

• ZGC在JDK 11及以上版本中可用（並在JDK 15及更高版本中完全穩定）。
• 確認您的JVM版本支援ZGC。

可以透過命令列檢查版本：

   java -version

2. 啟動引數

• 使用-XX:+UseZGC引數啟用ZGC。
• 可以在命令列中新增該引數來啟動應用，例如V 哥有一個應用：

     java -XX:+UseZGC -Xms<size> -Xmx<size> -jar  vg-app.jar

• -Xms<size> 和 -Xmx<size> 設定堆記憶體的最小和最大值。ZGC通常用於大堆記憶體環境，可以根據需求設定堆大小，例如 -Xmx16g 表示最大堆記憶體為16GB。

3. 可選引數

ZGC還支援一些最佳化引數，可以根據需求調整：

• 限制GC執行緒數量：-XX:ConcGCThreads=<n>，預設執行緒數量與CPU核心數相關，但可以根據應用負載適當調整。
• 日誌輸出：開啟詳細的GC日誌幫助監控ZGC效能。

     java -XX:+UseZGC -Xlog:gc -Xlog:gc+phases -jar vg-app.jar

• 最大暫停時間目標：雖然ZGC停頓時間極低，但仍可設定目標暫停時間，如-XX:MaxGCPauseMillis=<time>。ZGC會盡量保持在目標之下，但並不嚴格保證。

4. 啟動測試

使用-Xlog:gc檢視GC日誌，以確認ZGC已啟用並監控GC效能。可以執行應用後在日誌中檢視是否顯示類似於以下資訊：

   Using ZGC
   [gc,start      ] GC(0) Start

示例完整命令

假設應用需要16GB的堆空間並希望監控GC日誌，完整命令如下：

java -XX:+UseZGC -Xms16g -Xmx16g -Xlog:gc -jar vg-app.jar

注意事項

• 作業系統要求：ZGC僅在64位的Linux、macOS、Windows上支援，需確保您的作業系統相容。
• 硬體要求：ZGC對大記憶體的硬體支援要求較高，通常適合使用大於8GB的堆。

over，開啟ZGC並配置適當的引數後，Java應用將在低暫停時間的大記憶體環境中執行，適合實時資料分析、高併發伺服器等應用。