随着 Java 应用规模的不断扩大，传统的垃圾回收器已经无法满足高效低延迟的需求。为了解决这些问题，Java 引入了 ZGC (Z Garbage Collector) 和 Shenandoah GC，两者都以低延迟和高吞吐量为设计目标，适用于需要快速响应和大规模内存的系统。

本文将深入解析 ZGC 和 Shenandoah GC 的原理，并通过实际代码示例展示如何在应用中使用这两种垃圾回收器，从而优化性能和减少停顿时间。

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Java 垃圾回收机制概述

Java 的垃圾回收（GC）机制是自动化的内存管理工具。JVM 使用不同的垃圾回收器（GC）来自动回收内存。GC 的基本工作流程包括：

• 标记：标记所有活动对象。
• 清除：删除所有未被标记的对象。
• 压缩：整理堆内存，避免碎片。

但传统的垃圾回收器存在一定的问题，尤其是在处理大内存应用时，GC 的停顿时间可能会变得非常长，影响系统响应性能。因此，低延迟垃圾回收器（如 ZGC 和 Shenandoah GC）应运而生。

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ZGC (Z Garbage Collector) 详解

ZGC (Z Garbage Collector) 是一种以 低延迟 为目标的垃圾回收器。它的设计目标是将停顿时间控制在 毫秒级别，即使堆内存达到几百GB或更多，ZGC 也能保持低停顿。

ZGC 的工作原理

ZGC 的核心思想是 Region-based GC，将堆划分为多个区域，并通过 colored pointers（彩色指针）来高效标记和清理内存。在进行垃圾回收时，ZGC 会执行以下步骤：

1. 并发标记：ZGC 会在并发的方式下标记活动对象。
2. 并发整理：ZGC 会在应用线程运行的同时整理堆，避免长时间的应用停顿。
3. 并发清理：ZGC 清理垃圾对象时不会造成停顿，避免影响系统的响应时间。

ZGC 使用示例

假设我们有一个简单的 Java 程序：

// ZGCExample.java
public class ZGCExample {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            String str = new String("This is a test string: " + i);
        }

        System.out.println("Objects created and discarded.");
    }
}

1.编译和运行程序：

首先，我们编译并运行这个程序，观察其运行时表现：

javac ZGCExample.java
java -XX:+UseZGC -Xmx2g -Xlog:gc* ZGCExample

2.启用 ZGC：

在启动时，我们使用 -XX:+UseZGC 启动参数启用 ZGC。-Xmx2g 设置了最大堆大小为 2GB，-Xlog:gc* 则记录 GC 日志。

java -XX:+UseZGC -Xmx2g -Xlog:gc* ZGCExample

通过这些日志输出，我们可以查看 ZGC 的 GC 活动，分析应用在不同阶段的垃圾回收情况。

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Shenandoah GC：低延迟的垃圾回收器

Shenandoah GC 是由 Red Hat 提出的低延迟垃圾回收器，它的设计目标是提供 低停顿时间 和 高吞吐量。Shenandoah GC 主要通过并发的标记和整理来减少停顿时间，适用于对低延迟要求非常高的应用场景。

Shenandoah GC 的工作原理

Shenandoah GC 同样采用 并发标记和整理（Concurrent Marking and Compacting），它的工作流程包括以下几个阶段：

1. 并发标记：Shenandoah GC 会标记所有活动对象，且这一过程与应用程序线程并行执行。
2. 并发整理：Shenandoah 会整理堆中的对象，避免内存碎片。
3. 并发清理：在进行垃圾清理时，Shenandoah GC 会尽量减少对应用程序的影响。

Shenandoah GC 使用示例

和 ZGC 类似，启用 Shenandoah GC 也很简单，下面是一个使用 Shenandoah GC 的代码示例。

// ShenandoahExample.java
public class ShenandoahExample {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            String str = new String("Shenandoah GC test string: " + i);
        }

        System.out.println("Objects created and discarded.");
    }
}

1.编译和运行程序：

首先编译并运行程序，启用 Shenandoah GC：

javac ShenandoahExample.java
java -XX:+UseShenandoahGC -Xmx2g -Xlog:gc* ShenandoahExample

2.启用 Shenandoah GC：

通过 -XX:+UseShenandoahGC 参数启用 Shenandoah GC，-Xmx2g 设置堆的最大内存为 2GB，-Xlog:gc* 打印 GC 日志。

java -XX:+UseShenandoahGC -Xmx2g -Xlog:gc* ShenandoahExample

通过查看输出的 GC 日志，可以观察 Shenandoah GC 的表现以及与应用的停顿时间。

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如何选择合适的垃圾回收器

选择合适的垃圾回收器要根据应用的需求来定。如果你的应用需要处理非常大的堆，且对低延迟要求非常高，那么 ZGC 是一个理想选择。ZGC 在处理数百 GB 内存时表现非常出色，能够提供低延迟和高吞吐量。

如果你的应用对内存大小要求没有 ZGC 那么高，但仍然需要低延迟的垃圾回收，Shenandoah GC 则是一个合适的选择。Shenandoah GC 同样提供了并发标记和整理，可以有效降低垃圾回收的停顿时间。

参数调优示例

无论是 ZGC 还是 Shenandoah GC，都有一些参数可以进行调优以获得更好的性能。

ZGC 常用参数：

• -XX:ZCollectionInterval：指定垃圾回收的时间间隔。
• -XX:ZUncommitDelay：指定在垃圾回收时，何时将不再使用的内存归还给操作系统。
• -XX:ZRegionSize：设置堆区域的大小。

Shenandoah GC 常用参数：

• -XX:ShenandoahGCHeuristics：控制 Shenandoah 的垃圾回收策略（如并发标记等）。
• -XX:ShenandoahAllowReorganization：控制是否允许在 GC 时进行堆整理。
• -XX:ShenandoahPauseTarget：设置 Shenandoah GC 的目标停顿时间。

通过这些参数，开发者可以根据应用的实际需求进行调优，进一步提升性能。

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ZGC 和 Shenandoah GC 的实际应用场景

• 高频交易系统：ZGC 和 Shenandoah GC 都能提供低延迟，适合金融行业中的高频交易系统，减少内存回收带来的影响。
• 云原生微服务：随着云原生架构的普及，微服务的启动和销毁频繁，低延迟的垃圾回收器能有效提高响应速度。
• 大数据处理：对于需要处理海量数据的系统，ZGC 提供了更大的堆空间，并且在进行垃圾回收时不会显著影响性能。

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总结：Java 垃圾回收的新未来

ZGC 和 Shenandoah GC 是 Java 中非常先进的垃圾回收器，它们通过并发和并行的设计减少了 GC 停顿时间，提高了系统的响应性能。对于需要低延迟和大堆内存的应用，ZGC 是最佳选择，而对于对内存大小要求较低的低延迟系统，Shenandoah GC 也非常合适。

希望本文能帮助你了解这两种垃圾回收器的工作原理及使用方式，并为你在 Java 应用的性能优化中提供有效的工具。

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希望这篇博客能帮助你更好地理解 Java 中的垃圾回收新技术！