1. 概述
Java 21 于 2023 年 9 月发布，同时引入了分代 ZGC（Generational ZGC）。这项改进基于 Z 垃圾收集器 的高效性，通过为年轻对象和老年代对象划分独立代，优化了内存管理机制。
本文将深入剖析这一新特性，探讨其潜在优势、工作原理及使用方法。
2. 垃圾回收机制
首先从内存管理基础说起。垃圾回收是程序自动释放不再使用的对象所占内存的过程。当程序中某部分仍持有指向对象的引用时，该对象被视为"存活"状态；反之，当程序任何部分都无法访问某对象时，它就变成了"不可达"对象，其占用的内存可被回收。
例如在 Java 中，垃圾收集器负责管理存储 Java 对象的 堆内存。
这能有效防止内存泄漏并确保资源高效利用，同时避免手动管理内存可能引发的潜在错误。像 Java 或 C# 等语言内置此功能，而 C/C++ 则需依赖外部库实现类似能力。
3. 分代垃圾回收
在内存管理领域，代（generation）指根据对象分配时间进行的分类。
分代垃圾回收是一种内存管理策略，它根据对象分配时间将其划分到不同代，并针对不同代采用差异化的回收策略。
Java 内存主要分为两个代：
- ✅ 年轻代（Young Generation）：新创建对象存放于此，垃圾回收频率高
- ✅ 老年代（Old Generation）：经历多次 GC 仍存活的对象晋升至此
这种划分基于"大多数对象生命周期短暂"的观察，通过高频回收年轻代显著提升效率。更多细节可参考 Java 垃圾回收基础。
4. Z 垃圾收集器
ZGC（Z Garbage Collector）是可扩展的低延迟垃圾收集器。它最初作为实验特性在 Java 11 引入，Java 15 转为生产就绪。
其核心目标是最小化甚至消除 GC 停顿时间，从而提升应用响应能力，并适应现代系统不断增长的内存需求。作为非分代收集器，ZGC 将所有对象（无论年龄）统一存储，每次回收都处理整个堆。
5. 分代 Z 垃圾收集器
分代 ZGC 旨在提升应用性能，在原有 ZGC 基础上为年轻代和老年代对象维护独立空间。
5.1. 设计动机
多数场景下，ZGC 已能解决 GC 相关的延迟问题——只要系统资源充足，确保 GC 回收内存速度超过程序分配速度即可。
但根据弱分代假说：绝大多数对象生命周期短暂。回收这些短命对象消耗的计算资源更少，却能快速释放大量内存。
相反，回收经历多次 GC 仍存活的老年代对象需要更多计算资源，但释放的内存量相对较少。分代策略通过优先处理年轻代，显著提升内存释放效率，进而优化整体应用性能。
5.2. 核心目标
相比非分代 ZGC，分代 ZGC 旨在实现以下关键优势：
- ✅ 降低分配停顿风险
- ✅ 减少堆内存开销需求
- ✅ 降低 GC 的 CPU 开销
同时保留非分代方案的既有优势：
- ✅ 停顿时间低于 1 毫秒
- ✅ 支持高达 TB 级别的堆内存
- ✅ 最小化手动配置需求
为简化使用，新 GC 无需手动配置代大小、线程数或对象在年轻代驻留时间。
5.3. 实现原理
分代 ZGC 采用双代堆结构：
- ✅ 年轻代：存放新创建对象
- ✅ 老年代：存放长期存活对象
各代独立回收，优先高频处理年轻代对象。
并发回收机制与非分代 ZGC 类似，依赖着色指针（colored pointers）、加载屏障（load barriers）和存储屏障（store barriers）维护对象图一致性：
- 着色指针：在 64 位对象指针中嵌入元数据
- 加载屏障：解释指针元数据
- 存储屏障：添加元数据、维护记忆集（remembered sets）并标记存活对象
5.4. 启用方式
为平滑过渡，分代 ZGC 与非分代版本并存：
- 使用
-XX:+UseZGC启用非分代 ZGC - 添加
-XX:+ZGenerational启用分代 ZGC：
java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational ...
分代 ZGC 计划在未来 Java 版本中成为默认选项，后续版本可能完全移除非分代实现。
5.5. 潜在风险
新 GC 的屏障和着色指针机制引入更高复杂度，超过非分代版本。同时运行两个并发收集器（年轻代/老年代）也增加了实现难度——它们并非完全独立，某些场景需交互协作。
虽然预期在多数场景表现优异，但特定负载可能存在轻微性能退化风险。开发团队将持续通过基准测试和用户反馈优化分代 ZGC，逐步解决这些问题。
6. 分代 ZGC 的设计差异
分代 ZGC 通过多项设计改进提升垃圾回收效率，相比非分代版本更具适应性。
6.1. 优化屏障提升性能
分代 ZGC **摒弃了多重映射内存**，转而在加载/存储屏障中使用显式代码。为适应存储屏障和调整后的加载屏障职责，采用高度优化的屏障代码：
- ✅ 通过快路径（fast paths）和慢路径（slow paths）技术
- ✅ 确保高负载下应用仍能获得最大吞吐量和性能
6.2. 高效跨代指针追踪
采用双缓冲记忆集（double-buffered remembered sets）：
- ✅ 每个老年代区域配对组织
- ✅ 使用位图高效追踪跨代指针
这种设计支持应用线程与 GC 线程并发工作，无需额外内存屏障，实现更流畅的执行。
6.3. 优化年轻代回收
通过分析年轻代区域密度：
- ✅ 选择性疏散（evacuate）区域
- ✅ 减少年轻代回收所需工作量
此优化加速 GC 周期，提升应用响应能力。
6.4. 灵活处理大对象
分代 ZGC 增强了大对象处理灵活性：
- ✅ 允许大对象直接分配在年轻代
- ✅ 短命大对象可在年轻代回收
- ✅ 长期存活大对象高效晋升老年代
这消除了预分配到老年代的需求，显著提升内存效率。
7. 总结
本文深入探讨了 Java 21 引入的强大特性——分代 ZGC。通过审慎评估潜在风险并持续基于用户反馈优化，它有望提供更卓越的效率和响应能力，成为 Java 生态系统演进中的重要里程碑。