1. 简介
在如今的应用场景中，同时服务成千上万甚至百万级用户已经不是什么稀罕事。这类应用往往需要巨大的内存支持，而内存管理的效率直接影响到应用性能。
为了解决这个问题，Java 11 引入了 ZGC（Z Garbage Collector） 作为一个实验性的垃圾收集器实现。随后，在 JEP-377 的推动下，ZGC 在 JDK 15 中正式成为生产可用的功能。
本文将带你深入了解 ZGC 是如何在多 TB 级别的堆内存中依然保持极低的暂停时间。
2. 核心概念
要理解 ZGC 的工作机制，我们首先需要了解一些内存管理和垃圾回收的基础知识。
2.1. 内存管理
物理内存即我们硬件上的 RAM。
操作系统（OS）会为每个应用分配虚拟内存空间。
当然，虚拟内存是存储在物理内存中的，操作系统负责维护虚拟地址与物理地址之间的映射关系，通常借助硬件加速完成。
2.2. 多映射（Multi-Mapping）
多映射指的是：虚拟内存中的多个地址指向同一个物理内存地址。由于应用程序通过虚拟内存访问数据，它们对此机制一无所知（也不需要知道）。
简单来说，就是将虚拟内存的多个区域映射到物理内存的同一块区域：
乍一看这种机制似乎用处不大，但后面我们会看到，ZGC 正是借助它来实现其“魔法”功能。此外，它还能提供一定的安全隔离能力。
2.3. 内存重定位（Relocation）
动态内存分配会导致内存碎片化。当我们在内存中间释放一个对象时，就会留下一个空洞；随着程序运行，这些空洞会越来越多，最终内存就像一块被切得乱七八糟的棋盘。
虽然我们可以通过扫描内存找到足够大的空闲块来分配新对象，但这操作成本高，而且依然无法彻底解决碎片问题。
另一个策略是：将碎片化的内存区域中的对象集中迁移到新的连续区域，以减少碎片。ZGC 采用的就是这种方式，并且为了提高效率，它按块（region）来处理，要么整个块都迁移，要么不动。
2.4. 垃圾回收（Garbage Collection）
Java 应用无需手动释放内存，因为 GC 会自动处理。GC 的核心任务是追踪堆中对象的可达性：如果一个对象无法通过引用链访问到，它就是垃圾，可以被回收。
GC 需要维护对象的状态，比如：
- reachable（可达）：对象被应用持有引用，可能是间接引用。
- finalizable（可终结）：对象不可达，但有
finalize()方法待执行。
为了完成这些任务，GC 通常会分为多个阶段。
2.5. GC 阶段的特性
GC 的各个阶段可能具备如下特性：
- ✅ parallel（并行）：多个 GC 线程同时运行
- ❌ serial（串行）：单线程执行
- ⚠️ stop-the-world（STW）：暂停应用线程
- ✅ concurrent（并发）：与应用线程同时运行
- ✅ incremental（增量）：可以中途暂停，后续继续
这些特性各有优劣。例如，并发阶段如果用串行执行可能只需 1% 的 CPU 资源，耗时 1000ms；而并行执行虽然只需要 50ms，但会占用 30% 的 CPU。对于 CPU 敏感型应用（如批处理任务），这种额外开销可能得不偿失。
因此，选择合适的 GC 策略必须结合应用的实际情况。
3. ZGC 的设计理念
ZGC 的目标是尽可能缩短 STW 阶段的暂停时间，并且这个暂停时间不会随着堆大小的增加而增长。✅ 这使得 ZGC 非常适合需要大堆、低延迟的服务器应用。
在传统 GC 技术基础上，ZGC 引入了几个关键创新，我们接下来一一介绍。
3.1. 整体架构
ZGC 的工作流程大致如下：
- 标记阶段（Marking）：找出所有可达对象。
- 重定位阶段（Relocation）：将对象从碎片区域迁移到新区域。
- 重映射（Remapping）：更新旧引用指向新地址。
ZGC 采用了一种非常巧妙的方式存储对象状态：通过引用本身携带元数据，即“引用着色（Reference Coloring）”。
但这也带来新问题：多个引用可能指向同一个对象的不同状态。为了解决这个问题，ZGC 利用了多映射机制。
同时，为了避免内存碎片，ZGC 会并发地执行对象重定位。但这也带来了新的挑战：当对象被迁移后，旧引用如何指向新地址？
ZGC 通过 Load Barrier（加载屏障） 来解决这个问题。每当应用加载一个引用时，Load Barrier 会检查并更新引用，确保始终访问到最新地址。
3.2. 标记阶段（Marking）
ZGC 的标记分为三个阶段：
- STW 阶段：扫描根引用（如局部变量、静态字段）并标记。
- 并发阶段：从根引用开始遍历对象图，标记可达对象。Load Barrier 也会参与标记。
- STW 阶段：处理一些边缘情况，如弱引用。
ZGC 使用 marked0 和 marked1 两个元数据位来记录标记状态。
3.3. 引用着色（Reference Coloring）
引用本质上是虚拟内存中的一个地址。在 64 位系统中，ZGC 使用 64 位指针，其中：
- ✅ 42 位表示实际地址（可寻址 4TB）
- ✅ 4 位用于存储元数据（状态位）
这 4 个元数据位分别是：
- finalizable：对象仅通过终结器可达
- remap：引用已更新，指向对象当前位置
- marked0 / marked1：标记对象是否可达
在 ZGC 中，这些位中只有一个为 1，用于表示当前引用的状态。
3.4. 重定位（Relocation）
ZGC 的重定位包括以下步骤：
- 并发阶段：选择需要迁移的内存块（relocation set）。
- STW 阶段：迁移根引用并更新其指向。
- 并发阶段：迁移其余对象，并将旧地址到新地址的映射存入 forwarding table。
- 下一次标记阶段：更新其他引用（也可以由 Load Barrier 完成）。
⚠️ 在 JDK 16 之前，ZGC 依赖预留堆空间来完成重定位。从 JDK 16 开始，支持原地重定位，有效避免了堆满时的 OutOfMemoryError。
3.5. 重映射与 Load Barrier
在重定位阶段，大多数引用并未更新。如果直接使用这些旧引用，会导致访问错误或访问到垃圾数据。
ZGC 通过 Load Barrier 实现引用的自动更新，这个过程称为 Remapping。每当应用加载一个引用时，Load Barrier 会执行以下逻辑：
- 如果
remap位为 1，则直接返回引用。 - 如果对象不在重定位集中，则设置
remap位并返回。 - 如果对象已被重定位，则更新引用地址并设置
remap位。 - 如果尚未重定位，则先迁移对象，再更新引用。
虽然 Load Barrier 会带来一定性能开销，但由于其执行速度快，整体影响不大。这是 ZGC 实现低延迟的代价之一。
4. 如何启用 ZGC？
✅ JDK 15 及以上版本，只需添加以下 JVM 参数即可启用 ZGC：
java -XX:+UseZGC <java_application>
⚠️ JDK 15 之前，ZGC 是实验性功能，需要额外添加参数：
java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC <java_application>
建议使用最新的 LTS 版本 JDK，以获得更好的稳定性和功能支持。
5. 最新特性
5.1. 支持 NVRAM 堆（Heap on NVRAM）
随着 NVRAM 技术的发展，ZGC 从 JDK 15 开始支持将 Java 堆存储在 NVRAM 上，显著降低成本。
使用方式：
--XX:AllocateHeapAt=<path>
5.2. 毫秒以下暂停时间
ZGC 的目标是将暂停时间控制在 10ms 以内，JDK 16 已实现 O(1) 级别的暂停时间，低于 1ms，且不受堆大小影响。
关键技术是 Stack Watermark Barrier，支持并发扫描线程栈。
5.3. 压缩类指针与类数据共享
JDK 15 中，ZGC 支持：
- Compressed Class Pointers：压缩类指针，减少堆内存占用。
- Class Data Sharing（CDS）：提升启动速度，降低内存占用。
5.4. 动态 GC 线程数
JDK 17 中，ZGC 支持动态调整 GC 线程数量，避免 CPU 资源浪费：
-XX:+UseDynamicNumberOfGCThreads
-XX:ConcGCThreads=<number>
5.5. 快速 JVM 终止
JDK 17 中优化了 ZGC 的终止逻辑，通过中断 GC 周期快速进入安全状态，使 JVM 终止几乎瞬时完成。
6. 总结
ZGC 是一款面向大堆、低延迟场景的现代垃圾收集器。它通过以下技术实现目标：
- ✅ 引用着色（Reference Coloring）
- ✅ Load Barrier
- ✅ 并发重定位（Relocation）
- ✅ 动态重映射（Remapping）
如果你的应用对响应时间要求极高，且堆内存较大，ZGC 是一个非常值得尝试的选择。