Java内存回收（GC）新贵的抉择，G1与ZGC！

前言

Java的垃圾回收（Garbage Collection, GC）是确保内存管理高效和稳定的关键机制。

随着JDK的不断演进，各种垃圾回收器也应运而生，其中G1和ZGC作为两大明星产品，各自拥有独特的特性和适用场景。本文将详细解析G1和ZGC的特性和回收方式。

关键概念解析

Region

在G1和ZGC中，Region是堆内存的一个逻辑分区。G1将堆划分为多个大小相同的Region，用于存放对象。而ZGC则根据对象大小将Region分为小、中、大三类，以优化内存使用。Region的引入使得垃圾回收器可以更加灵活地管理内存，实现并发回收和减少停顿时间。

读屏障

读屏障是一种在读取对象引用时执行的特殊操作。在ZGC中，读屏障用于检查指针上的染色信息，从而判断对象是否被移动过。这种机制确保了垃圾回收过程中的并发安全性。

染色指针

染色指针是一种在指针中嵌入额外信息的技术。在ZGC中，染色指针用于记录对象的标记状态（如已标记、未标记、正在移动等）。这种设计减少了内存屏障的使用数量，提高了性能。

内存多重映射

内存多重映射是一种将多个不同的虚拟内存地址映射到同一个物理内存地址上的技术。在ZGC中，内存多重映射用于优化内存访问，减少物理内存的使用，并提高垃圾回收的效率。

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G1垃圾回收器

G1（Garbage-First）是一款面向服务器的垃圾收集器，旨在为大内存、多处理器的机器提供高效的垃圾回收机制。G1通过分区算法和优先级回收策略，实现了低停顿时间的垃圾回收。

• 分区算法：G1将堆内存划分为多个Region，每次垃圾回收时只选择部分Region进行回收。这种策略使得G1可以更加灵活地管理内存，并减少停顿时间。

• 优先级回收：G1根据Region中对象的存活率和回收价值，选择优先级最高的Region进行回收。这种策略确保了G1在有限时间内可以尽可能高地提高收集效率。

• 并行与并发：G1充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（或CPU核心）来缩短Stop-The-World停顿时间。同时，G1也具备与应用程序交替执行的能力，不会在整个回收期间完全阻塞应用程序。

• 分代收集：虽然G1可以独立管理整个GC堆，但它还是保留了分代的概念，区分了年轻代和老年代。

• 空间整合：G1在回收过程中会进行适当的对象移动，减少空间碎片，这与CMS的“标记–清除”算法不同。

• 可预测的停顿：G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内完成垃圾收集。

使用场景

• 适合中等到大型应用，尤其是需要较好的回收性能和可预测停顿的场景。
• 在大多数企业应用中表现良好，但在极端条件下可能会出现较大的停顿。

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ZGC垃圾回收器

ZGC（Z Garbage Collector）是Oracle公司研发的一款以低延迟为首要目标的垃圾收集器。它基于动态Region内存布局，不设年龄分代，使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-整理算法。

• 动态Region：ZGC的Region分为小、中、大三类，用于存放不同大小的对象。这种设计有助于优化内存使用和提高回收效率。

• 染色指针与读屏障：ZGC使用染色指针记录对象的标记状态，并通过读屏障检查指针上的三色标记位，从而判断对象是否被移动过。这种设计大幅减少了内存屏障的使用数量，提高了性能。

• 内存多重映射：ZGC使用内存多重映射将多个不同的虚拟内存地址映射到同一个物理内存地址上，以优化内存访问和提高性能。

使用场景

• 特别适合对延迟极为敏感的应用，如金融服务、在线游戏等。
• 在处理大规模数据和高负载的情况下，能够提供更好的响应时间和吞吐量。

此外，ZGC还支持非统一内存访问（NUMA），可以优化多核处理器上的内存访问性能。

ZGC 的局限性

虽然 ZGC 提供了许多优点，但也有一些局限性：

• JVM 版本：ZGC 从 Java 11 开始引入，您需要使用支持的版本。
• 平台限制：ZGC 主要在 Linux 和 macOS 上得到优化，Windows 支持较少。
• 资源需求：由于 ZGC 的并发特性，它可能需要更多的 CPU 和内存资源。

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使用场景

OpenJDK 11及以下版本

在OpenJDK 11及以下版本中，由于ZGC存在一些已知问题（如占用三倍内存、不能实现Class Unloading等），因此推荐使用G1垃圾回收器。

如果确实需要使用ZGC，可以考虑使用经过补丁修复的KonaJDK 11或Dragonwell JDK 11。

OpenJDK 17及以上版本

在OpenJDK 17及以上版本中，ZGC已经修复了多个问题，并引入了分代处理，性能得到了显著提升。

因此，在需要高并发性、一致性停顿时间和处理大型数据的应用程序中，可以考虑使用ZGC。

综合评估

在选择垃圾回收器时，还需要考虑应用程序的特定需求、硬件环境、垃圾回收器的配置参数以及系统资源的使用情况。

可以通过实际测试来评估不同垃圾回收器对应用程序性能的影响，从而选择最适合的垃圾回收器。

总结

1. 停顿时间

ZGC：

• 设计为几乎无停顿，通常在几毫秒的范围内，即使在大堆内存情况下也能保持低延迟。
  使用并发标记和处理，最大限度地减少应用线程的暂停时间。

G1：
提供可预测的停顿时间，能够通过 -XX:MaxGCPauseMillis 参数设置最大停顿时间。
停顿时间通常比 G1 短，但在处理大堆内存时仍可能造成较长的停顿。

2. 垃圾回收效率

ZGC：

• 通过并发标记和清理，能够在回收过程中同时处理应用线程，减少了 GC 的总体停顿时间。
• 适合处理极大的堆（GB 到 TB 级别），在大内存情况下表现优异。

G1：

• 采用分代收集和区域优先策略，可以降低老年代的回收频率。
• 在处理中等大小堆时表现良好，但在极大堆内存情况下可能出现较大的停顿。

3. 内存管理

ZGC：

• 使用了 “记忆的可访问性” 和指针压缩的技术，能够有效管理大堆内存。
• 不需要进行内存整理，避免了对象移动带来的性能损失。

G1：

• 需要在回收过程中整理存活对象，可能导致对象的移动，这个过程会消耗更多的 CPU 时间。
• 需要在某些情况下进行内存压缩，以避免碎片化。

4. 并发能力

ZGC：

• 设计上充分利用多核 CPU，几乎所有的垃圾回收工作都是并发进行的。
• 使得应用和 GC 线程能够高效地并行执行。

G1：

• 支持并发标记和回收，但在某些阶段（如初始标记阶段）仍需要暂停应用线程。
• 整体并发性能较好，但不及 ZGC。

5. 使用场景

ZGC：

• 特别适合对延迟极为敏感的应用，如金融服务、在线游戏等。
• 在处理大规模数据和高负载的情况下，能够提供更好的响应时间和吞吐量。

G1：

• 适合中等到大型应用，尤其是需要较好的回收性能和可预测停顿的场景。
• 在大多数企业应用中表现良好，但在极端条件下可能会出现较大的停顿。

ZGC 提供了相较于 G1 更优的低延迟和高并发能力，特别是在处理大堆内存时，能够显著提高应用的性能和响应速度。选择 ZGC 还是 G1 取决于应用的特性和对停顿时间的要求。在需要极低延迟和大内存支持的场景中，ZGC 是更好的选择；而对于一般的企业应用，G1 仍然是一个稳定且高效的选择。

综上所述，G1和ZGC作为JDK中的两大垃圾回收器，各自拥有独特的特性和适用场景。在选择和调优时，需要根据应用程序的具体需求进行综合考虑，以确保内存管理的高效和稳定。