Java 21 新特性：分代ZGC
Java 21 新特性：分代ZGC（Generational ZGC）
Java以其垃圾回收机制而闻名。这是它的主要优势之一，但也可能是许多头疼的根源。
- Java 11（JEP 333）中引入了一个可扩展的低延迟垃圾收集器，称为ZGC
- Java 15（JEP 377）中 ZGC 可用于生产
- 现在，随着Java 21的出现，它已经发展成为一种分代GC（JEP 439）
垃圾收集（Garbage Collection）
在Java中，垃圾收集器负责释放堆内存，堆内存是存储Java对象的地方。 这有助于防止内存泄漏并确保有效的资源使用，否则，程序会抛出OutOfMemoryError异常。
“垃圾收集”的概念本质上是自动内存管理， 这可能导致如下潜在的错误：
- 需要时间来清理和重新排列内存，引入了运行时开销，超出了程序员的控制。
- GC运行的实际点通常是不确定的，对于高吞吐量内存消耗大的应用，可能会长时间的“GC暂停”
- 讽刺的是，GC的非确定性也是它的优点之一，我们不必担心内存是何时或如何释放的，它将自动发生
有三种主要的自动内存管理技术：
- 引用计数（ReferenceCounting）
- 标记和清除（MarkAndSweep）
- 复制（StopAndCopy）
不同语言如何管理内存
- C/C++：手动管理内存，程序员负责分配和释放内存
- Objective-C 和 Swift：引入了自动引用计数（ARC），但仍然需要手动释放内存
- Rust：使用仿射类型系统 而不是GC，引入了所有权和借用，编译器在编译时检查内存安全性
- Kotlin：与Java类似，但引入了
Kotlin/Native，允许手动内存管理 - Java、Python 、Go、C# 、JavaScript：自动内存管理，垃圾收集器负责释放内存
HotSpot JVM垃圾收集器
内存管理有许多不同的方法，并且没有“最好”的方法。 即使在一种语言/运行时中，也可以有不止一种垃圾收集方法，JVM就是一个很好的例子。
与单一的GC不同，HotSpot JVM有5个GC可供选择：
- Garbage-First Collector(G1)（Java 9后的默认选项）
- Serial Collector
- Parallel Collector
Concurrent Mark Sweep (CMS) Collector（Java 9中已弃用）- Shenandoah GC（Java 12+）
- Z Garbage Collector（Java 15中可用于生产）
此外，不要忘记还有其他的JDK实现！
- Eclipse OpenJ9 使用具有多个收集策略的分代并发GC
- GraalVM 有 Epsilon GC，它是一个 No-Op GC，完全不进行内存清理
如何选择JVM GC
许多语言只提供了一种垃圾收集方法，而Java之所以提供多种GC选项，取决于您的应用程序对于“全局停顿”事件和总体暂停时间的容忍程度。
GC算法主要关注三个指标：
- 吞吐量：应用程序的运行时间与GC时间的比率
- 延迟：GC暂停时间
- 内存占用：GC对堆内存的使用
与许多问题一样，您无法为所有这些问题进行优化，因此每个GC都需要在它们之间找到平衡点。以下是一些场景及其匹配的GC作为起点：
| 垃圾收集器 | 场景 |
|---|---|
| Serial | 小数据集 (最大~100 MB) 资源有限 (例如单核) 暂停时间短 |
| Parallel | 多核系统上的峰值性能 非常适合高计算负载 暂停时间 > 1秒是可以接受的 |
| G1 CMS | 响应时间 > 吞吐量 堆内存较大 暂停时间 < 1秒 |
| Shenandoah | 尽量减少暂停时间 可预测的延迟 |
| ZGC | 响应时间是高优先级的，和/或 非常大的堆内存 |
| Epsilon GC | 性能测试和故障排除 |
每种方法都有自己的优点和缺点，这在很大程度上取决于应用程序的需求和可用资源。
分代ZGC
Java 11引入的实验性功能ZGC是一种非分代的垃圾收集方法。 尽管如此，它在GC暂停时间方面仍然带来了显著改进，至少在资源足够的情况下，可以比并发线程消耗内存更快地回收内存。 缺点是，它将所有对象存储在一起，而不考虑年龄，因此每个周期都会收集所有对象。
generational hypothesis 观察到年轻对象比年长对象更有可能“早逝”，于是产生了分代假设。
Java 21 中，分代 ZGC 将堆分为两个逻辑代：一个用于最近分配的对象，另一个用于长期存活对象。 GC 可以专注于更频繁地收集年轻(最近分配)且更有前途(可能长期存在)的对象，而不会增加GC暂停时间，将其保持在 1 毫秒以下。
分代ZGC与非分代ZGC相比的关键优势：
- 减少分配停滞的风险
- 降低堆内存开销要求
- 减少垃圾回收CPU开销
此外，目标是在保留非分代方法已有优势的基础上实现这些优势：
- 暂停时间保持在在 1 毫秒以下
- 支持多达数万TB的堆大小
- 最少的手动配置
为了保持最后一点，新的GC不需要手动配置代的大小、GC使用的线程数，或对象在年轻代中停留的时间。
如何使用 JVM GC
在Java 21中，分代ZGC是默认的垃圾收集器。为了顺利过渡，分代ZGC将与非分代ZGC一起提供，您可以通过以下方式进行配置：
# 启用ZGC(默认为非分代)
$ java -XX:+UseZGC
# 使用分代ZGC
$ java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational
如果您需要关闭分代ZGC，可以通过将加号（+）替换为减号（-）来实现：
# 不使用分代ZGC
$ java -XX:+UseZGC -XX:-ZGenerational
计划在更晚的版本中完全删除非分代ZGC。