Java 虚拟机（JVM）深度剖析：垃圾收集器G1、ZGC的工作机制与性能调优

好的，我们开始今天的讲座，主题是Java虚拟机（JVM）深度剖析：垃圾收集器G1、ZGC的工作机制与性能调优。

JVM垃圾收集概览

在深入G1和ZGC之前，我们需要对JVM垃圾收集有一个总体的认识。JVM的垃圾收集器负责自动回收不再使用的内存，防止内存泄漏，从而提高应用程序的稳定性和性能。

垃圾收集的主要任务包括：

• 识别垃圾： 确定哪些对象不再被引用，可以安全地回收。
• 回收垃圾： 将这些对象占用的内存释放，使其可以被重新使用。
• 整理内存（可选）： 将存活的对象移动到一起，减少内存碎片。

不同的垃圾收集器采用不同的算法和策略来完成这些任务，其性能特点和适用场景也各不相同。

G1垃圾收集器

G1（Garbage-First）垃圾收集器是JDK 7中引入，并在JDK 9中成为默认的垃圾收集器。它的设计目标是取代CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器，在实现高吞吐量的同时，尽可能地缩短停顿时间。

G1的核心思想

G1将堆内存划分为多个大小相等的Region，每个Region可以被标记为Eden、Survivor或Old。G1跟踪每个Region中包含的垃圾数量，并在进行垃圾收集时，优先回收垃圾最多的Region（这就是“Garbage-First”的含义）。

G1的工作流程

G1的垃圾收集过程主要包括以下几个阶段：

1. 初始标记（Initial Mark）： 标记GC Roots直接可达的对象。这个阶段需要暂停所有线程（Stop-The-World，STW），但时间很短。
2. 并发标记（Concurrent Marking）： 从GC Roots开始，并发地遍历对象图，标记所有可达的对象。这个阶段与应用程序线程并发执行。
3. 最终标记（Remark）： 处理并发标记阶段遗留下来的少量对象，并执行一些清理工作。这个阶段也需要STW，但时间通常比初始标记要短。
4. 筛选回收（Cleanup）： 对Region中的垃圾数量进行排序，选择回收价值最高的Region进行回收。这个阶段包括：
   • 复制/转移（Evacuation）： 将选定Region中的存活对象复制到新的Region中。
   • 更新引用： 更新指向被复制对象的引用。

G1的关键技术

• Remembered Set (RSet): RSet用于记录Region外部的对象对该Region内部对象的引用。当需要回收一个Region时，G1只需要扫描该Region的RSet，就可以找到所有指向该Region内部对象的引用，而不需要扫描整个堆。RSet的维护增加了写屏障的开销，但提高了垃圾收集的效率。
• 并发标记和增量收集： G1采用并发标记和增量收集技术，尽量减少STW的时间。
• 预测模型： G1使用预测模型来估算垃圾收集的成本和收益，以便选择最佳的Region进行回收。

G1的配置参数

以下是一些常用的G1配置参数：

• -XX:+UseG1GC: 启用G1垃圾收集器。
• -XX:MaxGCPauseMillis=200: 设置最大GC停顿时间，单位为毫秒。G1会尽力达到这个目标，但并不保证一定能够实现。
• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45: 设置触发并发GC的堆占用百分比。当堆占用达到这个百分比时，G1会启动并发GC。
• -XX:G1NewSizePercent=5: 新生代最小比例
• -XX:G1MaxNewSizePercent=60: 新生代最大比例
• -XX:G1ReservePercent=10: 作为可用内存的保留百分比。

G1的性能调优

G1的性能调优主要围绕以下几个方面：

• 停顿时间目标： 通过-XX:MaxGCPauseMillis设置合理的停顿时间目标。如果设置得太低，可能会导致频繁的GC，降低吞吐量。如果设置得太高，可能会导致较长的停顿时间。
• 堆大小： 确保堆大小足够大，以避免频繁的GC。但是，过大的堆大小也会增加GC的开销。
• 并发GC触发时机： 通过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent调整并发GC的触发时机。如果设置得太早，可能会导致过多的并发GC，降低吞吐量。如果设置得太晚，可能会导致停顿时间过长。
• RSet维护开销： 监控RSet的维护开销，如果过高，可以尝试调整Region的大小。
• Full GC： 尽量避免Full GC。Full GC通常需要暂停所有线程，并且时间很长。

G1的代码示例

以下是一个简单的G1配置示例：

public class G1Example {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建大量的对象，模拟内存压力
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]); // 1MB
            Thread.sleep(10);
        }
    }
}

运行上述代码时，可以使用以下JVM参数启用G1：

java -Xmx4g -Xms4g -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 G1Example

这个命令指定了最大堆大小为4GB，初始堆大小为4GB，并启用了G1垃圾收集器，设置最大GC停顿时间为200毫秒。

ZGC垃圾收集器

ZGC（Z Garbage Collector）是JDK 11中引入的一种低延迟垃圾收集器。它的设计目标是实现亚毫秒级的最大停顿时间，并且能够处理TB级别的堆。

ZGC的核心思想

ZGC采用着色指针（Colored Pointers）和读屏障（Load Barriers）技术来实现并发标记和并发转移。

• 着色指针： ZGC使用指针的最高几位来存储对象的状态信息，例如是否被标记、是否正在被转移等。这些信息可以直接从指针中读取，而不需要访问对象头。
• 读屏障： 当应用程序线程读取一个对象时，读屏障会检查该对象是否正在被转移。如果是，则将指针更新为指向新的地址。

ZGC的工作流程

ZGC的垃圾收集过程主要包括以下几个阶段：

1. 并发标记（Concurrent Mark）： 从GC Roots开始，并发地遍历对象图，标记所有可达的对象。
2. 并发转移（Concurrent Relocate）： 将存活的对象并发地转移到新的内存区域。
3. 并发重定位（Concurrent Remap）： 更新指向被转移对象的指针。

ZGC的关键技术

• 着色指针： 使用指针的最高几位来存储对象的状态信息，避免了访问对象头的开销。
• 读屏障： 在读取对象时，检查对象是否正在被转移，并更新指针。
• 动态Region： ZGC使用动态大小的Region，可以根据对象的生命周期和大小，选择合适的Region进行分配。
• NUMA-Aware： ZGC能够感知NUMA（Non-Uniform Memory Access）架构，将对象分配到离CPU更近的内存区域，提高性能。

ZGC的配置参数

以下是一些常用的ZGC配置参数：

• -XX:+UseZGC: 启用ZGC垃圾收集器。
• -Xmx<size>: 设置最大堆大小。
• -Xms<size>: 设置初始堆大小。通常建议将-Xmx和-Xms设置为相同的值，以避免堆的动态扩展带来的开销。
• -XX:ConcGCThreads=<n>: 设置并发GC线程数。

ZGC的性能调优

ZGC的性能调优主要围绕以下几个方面：

• 堆大小： ZGC能够处理TB级别的堆，但过大的堆大小也会增加内存管理的开销。
• 并发GC线程数： 根据CPU核心数和应用程序的特点，调整并发GC线程数。
• NUMA配置： 在NUMA架构上，确保JVM能够正确地感知NUMA配置，并将对象分配到离CPU更近的内存区域。

ZGC的代码示例

以下是一个简单的ZGC配置示例：

public class ZGCExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建大量的对象，模拟内存压力
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]); // 1MB
            Thread.sleep(10);
        }
    }
}

运行上述代码时，可以使用以下JVM参数启用ZGC：

java -Xmx4g -Xms4g -XX:+UseZGC ZGCExample

这个命令指定了最大堆大小为4GB，初始堆大小为4GB，并启用了ZGC垃圾收集器。

G1 vs ZGC：适用场景

特性	G1	ZGC
最大停顿时间	可配置，但通常在几百毫秒到几秒之间	亚毫秒级
堆大小支持	几GB到几十GB	几GB到TB
CPU占用	较高	较高
适用场景	需要高吞吐量，并且可以容忍一定的停顿时间	对延迟非常敏感，需要亚毫秒级的停顿时间
额外开销	RSet维护	读屏障、着色指针
JDK版本要求	JDK 7+	JDK 11+

选择垃圾收集器的原则

选择合适的垃圾收集器需要综合考虑以下几个因素：

• 应用程序的延迟要求： 如果应用程序对延迟非常敏感，需要选择低延迟的垃圾收集器，例如ZGC。
• 应用程序的吞吐量要求： 如果应用程序需要高吞吐量，可以选择吞吐量优先的垃圾收集器，例如G1。
• 堆大小： 不同的垃圾收集器对堆大小的支持不同。需要根据应用程序的堆大小选择合适的垃圾收集器。
• 硬件环境： 不同的垃圾收集器对硬件环境的要求不同。需要根据硬件环境选择合适的垃圾收集器。
• JDK版本： 不同的垃圾收集器对JDK版本的支持不同。需要根据JDK版本选择合适的垃圾收集器。

代码示例：动态调整G1的新生代大小

以下代码展示了如何通过JMX动态调整G1的新生代大小。这可以帮助我们在运行时根据应用程序的需求调整GC参数，而无需重启JVM。

import javax.management.*;
import javax.management.remote.*;
import java.io.IOException;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class G1NewSizeTuner {

    public static void main(String[] args) throws MalformedObjectNameException, IOException, NotCompliantMBeanException, InstanceAlreadyExistsException, MBeanRegistrationException, IntrospectionException, ReflectionException {

        // 1. 获取 MBeanServer
        MBeanServer mbs = ManagementFactory.getPlatformMBeanServer();

        // 2. 构建 G1YoungGenerationSizer MBean 的 ObjectName
        ObjectName objectName = new ObjectName("com.example:type=G1YoungGenerationSizer");

        // 3. 注册 MBean
        G1YoungGenerationSizer mbean = new G1YoungGenerationSizer();
        mbs.registerMBean(mbean, objectName);

        // 4. 连接到 MBeanServer (可选，如果MBean在远程JVM中)
        //    JMXServiceURL url = new JMXServiceURL("service:jmx:rmi:///jndi/rmi://localhost:9999/jmxrmi");
        //    JMXConnector jmxc = JMXConnectorFactory.connect(url, null);
        //    MBeanServerConnection mbs = jmxc.getMBeanServerConnection();

        // 5. 调用 MBean 的方法
        //  假设你想要设置新生代最小比例为10%，最大比例为70%
        mbs.invoke(objectName, "setNewSizeRatio", new Object[]{10, 70}, new String[]{int.class.getName(), int.class.getName()});

        // 6. 保持程序运行，允许通过JMX客户端进行监控和调整
        System.out.println("G1YoungGenerationSizer MBean registered.  Waiting for JMX connections...");
        try {
            Thread.sleep(Long.MAX_VALUE); // Keep the application running
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public static class G1YoungGenerationSizer implements G1YoungGenerationSizerMBean {
        private int minRatio = 5;
        private int maxRatio = 60;

        @Override
        public void setNewSizeRatio(int minRatio, int maxRatio) {
            if (minRatio < 0 || minRatio > 100 || maxRatio < 0 || maxRatio > 100 || minRatio > maxRatio) {
                System.err.println("Invalid ratio values. Ratios must be between 0 and 100, and minRatio <= maxRatio.");
                return;
            }

            this.minRatio = minRatio;
            this.maxRatio = maxRatio;

            // 打印日志，说明设置已生效
            System.out.println("G1 New Size Ratio updated: minRatio=" + minRatio + "%, maxRatio=" + maxRatio + "%");
            // 实际应用中，可能需要进一步调用JVM的API来动态调整这些参数。
            // 但直接修改JVM参数通常需要安全点，并且可能不是所有的JVM实现都支持动态修改。
            // 因此，这里只是模拟设置，实际效果取决于JVM的具体实现。
            //  例如，可以通过 HotSpotDiagnosticMXBean  来设置 JVM 参数 (需要额外的权限和谨慎处理).
        }

        @Override
        public int getMinRatio() {
            return minRatio;
        }

        @Override
        public int getMaxRatio() {
            return maxRatio;
        }
    }

    public interface G1YoungGenerationSizerMBean {
        void setNewSizeRatio(int minRatio, int maxRatio);

        int getMinRatio();

        int getMaxRatio();
    }
}

说明：

1. G1YoungGenerationSizerMBean 和 G1YoungGenerationSizer: 定义了一个 MBean 接口和实现类，提供了 setNewSizeRatio 方法来设置新生代的最小和最大比例。
2. 注册 MBean: 代码将 MBean 注册到 MBeanServer，使其可以通过 JMX 客户端访问。
3. 调用 MBean 方法: 示例代码通过 JMX 调用 setNewSizeRatio 方法来设置新生代比例。
4. 动态调整: 在实际应用中，你需要使用 JMX 客户端（例如 VisualVM、JConsole）连接到 JVM，然后调用 MBean 的方法来动态调整 G1 的参数。

重要提示：

• 安全点: 动态调整 JVM 参数通常需要在安全点（Safepoint）进行，这可能会导致短暂的停顿。
• HotSpotDiagnosticMXBean: 可以使用 HotSpotDiagnosticMXBean 来设置 JVM 参数，但需要额外的权限和谨慎处理。 这种方式修改的参数通常是全局的，可能会影响整个JVM的行为。
• JVM 实现: 并非所有的 JVM 实现都支持动态修改参数。你需要查阅你所使用的 JVM 的文档，了解其支持的动态调整方式。
• 监控: 在动态调整参数后，务必监控 JVM 的性能，确保调整后的参数能够提高性能，而不是降低性能。

总结

G1和ZGC是两种重要的垃圾收集器，它们分别适用于不同的场景。G1适用于需要高吞吐量，并且可以容忍一定的停顿时间的应用程序。ZGC适用于对延迟非常敏感，需要亚毫秒级的停顿时间的应用程序。选择合适的垃圾收集器需要综合考虑应用程序的延迟要求、吞吐量要求、堆大小、硬件环境和JDK版本等因素。通过JMX可以动态调整G1的部分参数，但需要谨慎操作并监控性能。

G1和ZGC的未来发展方向

G1和ZGC都在不断发展和完善。未来的发展方向可能包括：

• 更低的延迟： 继续优化垃圾收集算法，进一步降低停顿时间。
• 更高的吞吐量： 提高垃圾收集的效率，减少对应用程序性能的影响。
• 更好的自适应性： 使垃圾收集器能够更好地适应不同的应用程序和硬件环境。
• 更强大的监控和调优工具： 提供更方便的监控和调优工具，帮助开发人员更好地管理垃圾收集器。