JVM的ZGC/Shenandoah：应对TB级堆内存的并发引用处理与内存回收

大家好，今天我们来深入探讨Java虚拟机（JVM）中用于应对TB级堆内存场景的两种垃圾收集器：Z Garbage Collector (ZGC) 和 Shenandoah。在深入之前，我们需要理解传统垃圾收集器在高并发、大堆内存场景下面临的挑战。

传统GC的挑战

传统的垃圾收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First），在处理大堆内存时，往往会遇到以下问题：

长时间的停顿（Stop-the-World，STW）：为了进行垃圾回收，需要暂停所有应用线程，这会导致应用响应延迟。停顿时间与堆大小直接相关，TB级堆会导致分钟级别的停顿，这是无法接受的。
内存碎片化：频繁的分配和回收可能导致内存碎片化，降低内存利用率，甚至提前触发Full GC。
并发阶段的开销：虽然CMS和G1都尝试进行并发垃圾回收，但并发阶段仍然会消耗CPU资源，影响应用吞吐量。
可伸缩性问题：传统GC在多核处理器上的伸缩性有限，无法充分利用硬件资源。

为了解决这些问题，ZGC和Shenandoah应运而生，它们的设计目标是实现低延迟、高吞吐量，并且能够很好地扩展到TB级别的堆内存。

ZGC：染色指针与读屏障

ZGC是HotSpot JVM中的一款并发、低延迟垃圾收集器，它的核心思想是染色指针（Colored Pointers） 和 读屏障（Load Barrier）。

1. 染色指针

ZGC将指针（引用）的64位地址空间划分为多个部分，其中一部分用于存储元数据信息，而不是直接指向对象。这些元数据包括：

Marked0/Marked1： 用于标记对象在并发标记过程中的状态，通过切换这两个标志位，避免了在标记阶段的竞争。
Remapped： 表示对象是否已经被重新分配到新的内存位置。
Finalizable： 表示对象是否需要进行finalize处理。

这种染色指针技术允许ZGC在不改变对象本身的情况下，存储和更新对象的元数据。

// 假设指针的64位地址空间如下划分 (仅为示例，实际划分更复杂)
// | 42位地址 | 1位Marked0 | 1位Marked1 | 1位Remapped | 1位Finalizable | 18位保留位 |
// 64位指针

2. 读屏障

读屏障是在读取对象引用时插入的一段代码，用于检查对象是否已经被移动到新的内存位置。如果对象已经被移动，读屏障会负责将引用更新为指向新的位置。

// 伪代码：读屏障示例
Object readReference(Object obj) {
    Object ref = obj.referenceField; // 读取引用

    if (isRemapped(ref)) {
        ref = remap(ref); // 重映射引用
        obj.referenceField = ref; // 更新引用 (可选)
    }
    return ref;
}

ZGC的工作流程

ZGC的垃圾回收周期主要包括以下阶段：

并发标记（Concurrent Mark）： 从GC Roots开始，遍历堆中的对象，标记所有可达对象。使用染色指针技术，无需STW即可进行标记。
并发预备重分配（Concurrent Prepare for Relocate）： 统计各个Region的回收价值，选择需要重分配的Region。
并发重分配（Concurrent Relocate）： 将选定的Region中的存活对象复制到新的Region。读屏障保证了在对象移动过程中，应用线程可以继续访问对象。
并发重映射（Concurrent Remap）： 更新所有指向已移动对象的引用。
初始标记（Initial Mark）： 短暂的STW，标记GC Roots直接引用的对象。
再标记（Remark）： 短暂的STW，处理并发标记期间发生的引用变化。

ZGC的优势

低延迟： ZGC的设计目标是实现10ms以下的STW停顿时间，即使在TB级别的堆内存下也能保持。
高吞吐量： 并发执行大部分垃圾回收任务，减少了对应用线程的影响。
可伸缩性： ZGC能够很好地扩展到多核处理器，充分利用硬件资源。

ZGC的局限性

浮动垃圾： 在并发标记过程中，可能会产生一些新的垃圾对象，这些对象无法在本轮垃圾回收中被回收，称为浮动垃圾。
内存占用： 染色指针需要额外的内存空间来存储元数据。
读屏障开销： 虽然读屏障的开销很小，但在高并发场景下仍然可能对性能产生影响。

Shenandoah：转发指针与写屏障

Shenandoah是另一款并发、低延迟垃圾收集器，它的核心思想是转发指针（Forwarding Pointers） 和 写屏障（Write Barrier）。

1. 转发指针

与ZGC不同，Shenandoah直接修改对象头，在对象头中添加一个转发指针，指向对象的新位置。

// 对象头结构 (简化)
// | Mark Word | Class Pointer | Forwarding Pointer | ... |

2. 写屏障

写屏障是在更新对象引用时插入的一段代码，用于维护对象引用的一致性。如果被引用的对象正在移动，写屏障会负责更新引用关系。

// 伪代码：写屏障示例
void writeReference(Object obj, Object newValue) {
    Object oldValue = obj.referenceField;

    if (isRelocating(newValue)) {
        newValue = updateReference(newValue); // 更新引用
    }

    obj.referenceField = newValue; // 写入新的引用
}

Shenandoah的工作流程

Shenandoah的垃圾回收周期主要包括以下阶段：

初始标记（Initial Mark）： 短暂的STW，标记GC Roots直接引用的对象。
并发标记（Concurrent Mark）： 从GC Roots开始，遍历堆中的对象，标记所有可达对象。
并发计算活跃度（Concurrent Compute Liveness）： 统计各个Region的存活对象数量。
并发选择回收集合（Concurrent Select Collection Set）： 选择需要回收的Region。
初始引用更新（Initial Reference Update）： 短暂的STW，更新所有GC Roots引用的对象。
并发重分配（Concurrent Relocate）： 将选定的Region中的存活对象复制到新的Region。写屏障保证了在对象移动过程中，应用线程可以继续访问对象。
并发引用更新（Concurrent Reference Update）： 更新所有指向已移动对象的引用。
最终引用更新（Final Reference Update）： 短暂的STW，完成最后的引用更新。
并发清理（Concurrent Cleanup）： 回收空闲的Region。

Shenandoah的优势

低延迟： Shenandoah的设计目标也是实现10ms以下的STW停顿时间。
高吞吐量： 并发执行大部分垃圾回收任务，减少了对应用线程的影响。
内存回收效率： Shenandoah能够更有效地回收内存，减少内存碎片化。

Shenandoah的局限性

对象头开销： 转发指针需要占用对象头的额外空间。
写屏障开销： 写屏障的开销相对较高，可能会对性能产生影响。
复杂性： Shenandoah的实现相对复杂，调试和维护难度较高。

ZGC vs Shenandoah：对比分析

下面我们通过一个表格来对比ZGC和Shenandoah的优缺点：

特性	ZGC	Shenandoah
核心技术	染色指针，读屏障	转发指针，写屏障
停顿时间	< 10ms	< 10ms
吞吐量	高	高
内存占用	较高（染色指针）	适中（转发指针）
屏障开销	读屏障开销较低	写屏障开销较高
实现复杂度	相对简单	相对复杂
适用场景	对延迟要求极高，内存占用不敏感的场景	对延迟和内存占用都有要求的场景
对象头修改	否	是
GC Roots处理	并发处理为主，少量STW	并发处理和STW结合
内存碎片化	相对较好	相对较好
浮动垃圾	可能存在	可能存在
GC Roots更新	并发处理为主	STW阶段需要更新一部分GC Roots

代码示例：使用ZGC/Shenandoah

要启用ZGC或Shenandoah，需要在JVM启动时指定相应的垃圾收集器：

ZGC:

java -XX:+UseZGC -Xmx<堆大小> -Xms<堆大小> <应用类>

Shenandoah:

java -XX:+UseShenandoahGC -Xmx<堆大小> -Xms<堆大小> <应用类>

性能调优建议

合理设置堆大小： 根据应用的需求，合理设置堆大小，避免过度分配或分配不足。
监控GC日志： 监控GC日志，分析GC的频率、停顿时间等指标，及时发现和解决问题。
选择合适的GC策略： 根据应用的特点，选择合适的GC策略，例如，可以通过-XX:ZAllocationSpikeTolerance参数调整ZGC的分配策略。
避免内存泄漏： 内存泄漏会导致GC频繁触发，影响应用性能。
合理使用对象池： 对象池可以减少对象的创建和销毁，提高内存利用率。
避免频繁创建临时对象： 频繁创建临时对象会导致GC频繁触发。

案例分析

假设我们有一个大型电商平台，需要处理TB级别的订单数据。由于订单数据量巨大，传统的垃圾收集器无法满足低延迟的要求。我们可以考虑使用ZGC或Shenandoah来解决这个问题。

场景1： 如果对延迟要求极高，可以优先考虑ZGC。通过合理设置堆大小和调整ZGC的分配策略，可以实现10ms以下的停顿时间。
场景2： 如果对延迟和内存占用都有要求，可以考虑Shenandoah。Shenandoah能够更有效地回收内存，减少内存碎片化。

总结：选择合适的并发GC

ZGC和Shenandoah都是优秀的并发垃圾收集器，它们能够很好地应对TB级别堆内存的场景。选择哪种GC取决于应用的具体需求。ZGC在延迟方面表现更优，而Shenandoah在内存回收效率方面更具优势。理解它们的工作原理，并根据实际情况进行调优，可以帮助我们构建高性能、低延迟的Java应用。

JVM的ZGC/Shenandoah：应对TB级堆内存的并发引用处理与内存回收

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