在 Java 的垃圾回收（GC）技術(shù)演進(jìn)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(biāo)志著低延遲和大內(nèi)存管理能力的又一次飛躍。

1.設(shè)計(jì)目標(biāo)：從「可控停頓」到「極致低延遲」

G1 的局限性

G1 的核心目標(biāo)是提供 可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間（通過(guò) -XX:MaxGCPauseMillis 參數(shù)控制），但這一目標(biāo)在大堆內(nèi)存（如 TB 級(jí)別）場(chǎng)景下面臨挑戰(zhàn)

• 堆內(nèi)存越大，標(biāo)記和整理階段耗時(shí)線性增長(zhǎng)，導(dǎo)致實(shí)際 STW（Stop-The-World）時(shí)間可能超過(guò)預(yù)期。
• 分代模型（Eden/Survivor/Old）雖優(yōu)化了對(duì)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(kāi)銷。

ZGC 的突破ZGC 直接將設(shè)計(jì)目標(biāo)鎖定為 10ms 以內(nèi)的停頓時(shí)間，且無(wú)論堆內(nèi)存大小如何，STW 時(shí)間幾乎恒定。其核心理念是

• 完全并發(fā)：除初始標(biāo)記外，所有階段（標(biāo)記、轉(zhuǎn)移、重定位）均與應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行。
• 無(wú)分代設(shè)計(jì)：取消傳統(tǒng)分代，通過(guò)動(dòng)態(tài)分區(qū)（Small/Medium/Large Region）靈活管理對(duì)象，降低內(nèi)存碎片化風(fēng)險(xiǎn)。

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(biāo)記狀態(tài)、內(nèi)存視圖），將 GC 信息存儲(chǔ)在指針而非對(duì)象頭中。

優(yōu)勢(shì)

• 減少內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)，避免傳統(tǒng) GC 遍歷對(duì)象頭的性能損耗。
• 支持并發(fā)標(biāo)記和轉(zhuǎn)移，無(wú)需 STW 階段即可完成內(nèi)存整理。

對(duì)比 G1：G1 依賴對(duì)象頭存儲(chǔ)標(biāo)記信息，導(dǎo)致標(biāo)記階段需多次訪問(wèn)對(duì)象，且內(nèi)存碎片問(wèn)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(gè)虛擬內(nèi)存視圖，通過(guò)視圖切換實(shí)現(xiàn)并發(fā)內(nèi)存整理。

優(yōu)勢(shì)

• 對(duì)象轉(zhuǎn)移僅需修改指針視圖，無(wú)需復(fù)制實(shí)際數(shù)據(jù)，大幅降低延遲。
• 支持 TB 級(jí)堆內(nèi)存的高效管理，突破 G1 的堆容量限制。

對(duì)比 G1：G1 的 Region 固定大小且需手動(dòng)調(diào)整，大對(duì)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(guò)增量式并發(fā)轉(zhuǎn)移，將存活對(duì)象逐步遷移到新 Region，同時(shí)更新引用關(guān)系。

優(yōu)勢(shì)

• 避免 G1 的 Mixed GC 階段因堆增長(zhǎng)導(dǎo)致的 STW 時(shí)間波動(dòng)。
• 內(nèi)存碎片率趨近于零，無(wú)需 Full GC 即可維持堆的連續(xù)性。

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

3.性能表現(xiàn)：ZGC 的實(shí)戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)

典型場(chǎng)景對(duì)比

• G1：某電商后臺(tái)系統(tǒng)（堆內(nèi)存 16GB）通過(guò) -XX:MaxGCPauseMillis=200 實(shí)現(xiàn) 200ms 內(nèi)的停頓，但突發(fā)流量時(shí)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(qǐng)求延遲低于 10ms。

4.調(diào)優(yōu)實(shí)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(kuò)容

內(nèi)存預(yù)熱

• 啟用 -XX:+AlwaysPreTouch 避免運(yùn)行時(shí)內(nèi)存分配抖動(dòng)。

監(jiān)控指標(biāo)

• 關(guān)注 jvm.gc.pause（STW 時(shí)間）、jvm.gc.allocation.rate（分配速率）等指標(biāo)，動(dòng)態(tài)調(diào)整線程數(shù)。

5.未來(lái)展望：ZGC 的進(jìn)化方向

分代 ZGC（JDK 21+）：引入分代模型，降低年輕代回收開(kāi)銷。

跨平臺(tái)支持：逐步擴(kuò)展對(duì) Windows 和 ARM 架構(gòu)的支持。

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

6.小結(jié)

ZGC 通過(guò)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(chǎng)景的瓶頸，成為實(shí)時(shí)系統(tǒng)、云原生應(yīng)用的理想選擇。盡管其 CPU 開(kāi)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(duì)于開(kāi)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。