ZGC/Shenandoah：低延迟收集器的未来

ZGC收集器

核心特点

• 目标：停顿时间<10ms
• 支持：TB级堆内存
• JDK版本：JDK 11引入，JDK 15生产可用
• 并发度：几乎所有阶段都并发执行

核心技术：着色指针（Colored Pointers）

原理：利用64位指针的高位存储元数据

64位对象指针布局：
┌───────┬────────────────┬──────────────────┐
│ 4位   │    16位        │      44位        │
│ 元数据 │   未使用       │    对象地址      │
└───────┴────────────────┴──────────────────┘

4位元数据：
· Marked0：标记位0
· Marked1：标记位1
· Remapped：是否已重定位
· Finalizable：是否可终结

优势：

• 无需额外空间存储标记信息
• 通过指针即可判断对象状态

工作流程

1. 初始标记（STW，极短）
   ↓
2. 并发标记
   ↓
3. 再标记（STW，极短）
   ↓
4. 并发转移准备
   ↓
5. 初始转移（STW，极短）
   ↓
6. 并发转移

所有STW阶段总和 < 10ms

读屏障（Load Barrier）

作用：访问对象时自动检查和修正指针

// 伪代码
Object loadObject(Object ref) {
    if (needsBarrier(ref)) {
        ref = correctPointer(ref);  // 自动修正指针
    }
    return ref;
}

开销：

• 每次对象访问都需要屏障检查
• 性能影响约5-15%

参数配置

# 启用ZGC（JDK 11+）
java -XX:+UseZGC -Xmx16g -jar app.jar

# 设置并发GC线程数
java -XX:ConcGCThreads=2 -XX:+UseZGC -jar app.jar

# 启用大页内存（提升性能）
java -XX:+UseLargePages -XX:+UseZGC -jar app.jar

# JDK 15+生产环境推荐配置
java -XX:+UseZGC \
     -Xms16g -Xmx16g \
     -XX:ConcGCThreads=2 \
     -XX:+UseLargePages \
     -jar app.jar

Shenandoah收集器

核心特点

• 目标：停顿时间<10ms
• 开源：Red Hat主导
• JDK版本：JDK 12引入
• 核心技术：转发指针（Brooks Pointer）

核心技术：转发指针

原理：在对象头中添加转发指针

对象布局：
┌──────────────────┐
│  转发指针        │  ← 额外增加8字节
├──────────────────┤
│  对象头          │
├──────────────────┤
│  实例数据        │
└──────────────────┘

转发指针：
· 初始：指向自己
· 移动后：指向新地址

工作流程

1. 初始标记（STW）
   ↓
2. 并发标记
   ↓
3. 最终标记（STW）
   ↓
4. 并发清理
   ↓
5. 并发疏散（Evacuation）← 核心创新
   ↓
6. 初始引用更新（STW）
   ↓
7. 并发引用更新
   ↓
8. 最终引用更新（STW）

读写屏障

Shenandoah使用 读屏障 + 写屏障：

// 读屏障（访问对象）
Object load(Object ref) {
    return ref.forwardingPointer;  // 自动转发
}

// 写屏障（更新引用）
void store(Object obj, Object ref) {
    obj.field = ref.forwardingPointer;  // 更新为新地址
}

参数配置

# 启用Shenandoah（JDK 12+）
java -XX:+UseShenandoahGC -Xmx16g -jar app.jar

# 设置GC模式
java -XX:ShenandoahGCMode=satb \
     -XX:+UseShenandoahGC \
     -jar app.jar

# 生产环境推荐配置
java -XX:+UseShenandoahGC \
     -Xms16g -Xmx16g \
     -XX:+AlwaysPreTouch \
     -XX:+UseNUMA \
     -jar app.jar

ZGC vs Shenandoah

性能对比

停顿时间对比

吞吐量对比

场景：100秒总运行时间

G1：
· GC时间 2秒
· 吞吐量 98%

ZGC：
· GC时间 5秒（屏障开销）
· 吞吐量 95%

权衡：
· ZGC牺牲约3%吞吐量
· 换取极低停顿时间

适用场景

ZGC适用场景

1. 超大堆：16GB-16TB堆内存
2. 低延迟要求：99.99%请求<10ms
3. 云原生应用：容器化、微服务
4. 实时交易系统：金融、游戏

Shenandoah适用场景

1. 大堆内存：8GB-128GB
2. 开源优先：完全开源，社区支持
3. 低延迟要求：停顿时间敏感
4. 红帽系统：Red Hat Linux

调优建议

1. 内存配置

# 避免堆动态扩展（影响性能）
-Xms16g -Xmx16g

# 启用大页内存
-XX:+UseLargePages

# 预分配内存
-XX:+AlwaysPreTouch

2. 监控指标

关注以下指标：

• 停顿时间：P99/P999停顿时间
• 吞吐量：应用运行时间占比
• GC频率：GC触发频率

3. 避免Full GC

ZGC/Shenandoah很少发生Full GC，如果出现说明配置不当：

• 堆内存过小
• 分配速度过快
• 并发线程数不足

总结

1. ZGC/Shenandoah：新一代低延迟收集器
2. 核心技术：
   • ZGC：着色指针 + 读屏障
   • Shenandoah：转发指针 + 读写屏障
3. 停顿时间：<10ms，几乎不受堆大小影响
4. 代价：牺牲约5-15%吞吐量
5. 适用场景：大堆、低延迟、云原生应用
6. 成熟度：ZGC更成熟，Shenandoah更开源

下一篇预告：《GC日志解读：看懂每一行GC输出》