JVM工作原理与实战(三十七)：Shenandoah GC和ZGC

2024-05-08 75

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简介： JVM作为Java程序的运行环境，其负责解释和执行字节码，管理内存，确保安全，支持多线程和提供性能监控工具，以及确保程序的跨平台运行。本文主要介绍了垃圾回收器的技术演进、Shenandoah GC、ZGC等内容。

一、垃圾回收器的技术演进

垃圾回收器分为年轻代和老年代，它们各自负责不同生命周期的对象的回收。

不同的垃圾回收器（Garbage Collectors）在设计时，其目标呈现出显著的多样性。这些目标包括提高内存管理效率、减少程序暂停时间、优化吞吐量等。

二、Shenandoah GC

Shenandoah GC 是由Red Hat精心研发的一款低延迟垃圾收集器。其核心优势在于并发执行大部分垃圾收集工作，包括并发的整理过程，从而极大地减少了应用程序的暂停时间。此外，Shenandoah GC 使得堆大小对STW（Stop-The-World）时间的影响微乎其微，为现代高性能、低延迟的应用程序提供了理想的解决方案。

Shenandoah GC 的下载与构建：

鉴于Shenandoah GC仅包含在OpenJDK的特定版本中，且默认配置中并不包含，因此，用户需要手动进行构建或下载预构建的版本。

架构选择：根据硬件平台，选择相应的架构，如{aarch64, arm32-hflt, Mipsel, Mips64el, ppc64le, s390x, x86_32, x86_64}。可以使用arch命令或相关工具来确定系统架构。
虚拟机类型：选择server类型，它包含了所有垃圾收集器的功能，为生产环境提供了更全面的支持。
优化级别：对于追求最佳性能的用户，建议选择release级别。其他如fastdebug, Slowdebug, optimization等级别则更适合于调试和优化目的。
编译器版本：选择较高版本的编译器通常能带来更好的性能。然而，如果遇到兼容性问题（如程序无法启动），可能需要选择较低版本的编译器。

Shenandoah GC 的环境配置：

在使用Shenandoah GC之前，需要将OpenJDK的路径配置到系统的环境变量中。完成配置后，可以通过在命令行中运行java –version命令来验证配置是否成功。如果命令能够正常返回Java版本信息，则说明环境配置成功。

Shenandoah GC 的使用：

在配置好OpenJDK环境并安装了Shenandoah GC后，可以通过在启动Java程序时添加特定的JVM参数来使用Shenandoah GC。以下是一些关键参数：

-XX:+UseShenandoahGC：启用Shenandoah垃圾收集器。
-Xlog:gc：打印GC日志，帮助监控和分析垃圾收集活动的性能和行为。

这些参数可以在启动Java程序时使用java命令的-XX选项进行指定。例如：

# 启动一个Java应用程序，并使用Shenandoah GC进行内存管理，同时打印GC日志
java -XX:+UseShenandoahGC -Xlog:gc -jar application.jar

三、ZGC

ZGC（Z Garbage Collector）是Java中一种高效、可扩展且低延迟的垃圾回收器。其核心优势在于能够在垃圾回收过程中将Stop-The-World（STW）时间控制在极低的范围内，通常不超过一毫秒，这使得ZGC非常适合需要低延迟和高吞吐量的应用场景。此外，ZGC支持广泛的堆大小配置，从几百兆到高达16TB，且堆大小的变化对STW时间的影响微乎其微。

通过降低垃圾回收过程中的停顿时间，ZGC能够显著降低应用程序接口的最大响应时间，从而大幅提升用户体验。然而，值得注意的是，ZGC在追求低延迟的同时，可能会牺牲一部分吞吐量。因此，如果Java服务对QPS（每秒查询次数）有较高要求，那么G1垃圾回收器可能是一个更合适的选择。

1.ZGC的版本更迭

2.ZGC的使用方法

ZGC在Oracle JDK和OpenJDK中均得到支持，同时阿里的DragonWell龙井JDK也提供了对ZGC的优化支持，这是基于OpenJDK 11版本的定制化改进。为了获得更佳的性能和体验，建议使用JDK 17或更高版本，这些版本在延迟优化和自动配置方面有着显著的提升，无需用户手动配置并行线程数。启用ZGC可以通过添加相应的JVM参数实现。对于分代收集，可以使用-XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational参数启用；而对于非分代收集，则只需使用-XX:+UseZGC参数即可。

# 分代收集
-XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational
# 非分代收集
-XX:+UseZGC

3.ZGC的参数设置

ZGC在设计上采用了自适应策略，能够根据运行时的实际情况自动调整大部分参数，从而最小化用户需要手动配置的参数数量。例如，ZGC会自动设置年轻代的大小，无需用户通过-Xmn参数进行配置；同时，自动晋升阈值（决定对象在复制过程中存活多少次才会被移动到老年代）也无需用户通过-XX:TenuringThreshold参数进行设置。在JDK 17及更高版本中，ZGC还支持自动配置并行线程数，无需用户通过-XX:ConcGCThreads参数进行手动设置。

尽管ZGC能够自动调整大部分参数，但仍有一些关键参数需要用户根据实际情况进行设置。其中最重要的是-Xmx参数，它用于指定最大堆内存大小。由于ZGC在运行过程中会使用一部分内存来处理垃圾回收任务，因此用户需要确保堆中有足够的空间以满足应用程序的需求。-Xmx的具体设置值应根据对象分配的速度和测试情况来决定。

除了必须设置的参数外，ZGC还提供了一些可选参数供用户进行更细粒度的配置。例如，-XX:SoftMaxHeapSize参数允许用户指定一个软性最大堆内存大小。ZGC会尽量保证堆内存的使用量不超过这个值，从而在内存使用量接近这个阈值时尽早触发垃圾回收。然而需要注意的是，即使设置了-XX:SoftMaxHeapSize参数，堆内存的使用量仍有可能超过这个值。

4.ZGC的调优

为了进一步提升ZGC的性能和吞吐量，用户可以考虑使用Linux的Huge Page大页技术进行优化。通过利用大页技术，ZGC能够降低内存管理的开销并提升垃圾回收的效率。然而需要注意的是，安装和配置Huge Page需要root权限，因此ZGC默认并未开启此功能。

要使用Huge Page技术优化ZGC性能，用户可以按照以下步骤进行操作：

计算所需的大页数量。在Linux x86架构中，大页的大小通常为2MB。用户需要根据所需堆内存的大小以及JVM额外需要的非堆空间来估算所需的大页数量。例如，如果堆空间需要16GB，并预留2GB用于JVM的非堆空间，则总共需要的大页数量可以通过(16GB + 2GB) / 2MB = 9216来计算得出。
配置系统的大页池以具有所需的大页数量。这需要root权限，并且可以通过将所需的大页数量写入/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages文件来实现。例如，可以使用命令echo 9216 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages来配置系统的大页池。
在启动Java程序时添加-XX:+UseLargePages参数以启用Huge Page技术。这将使ZGC能够利用配置好的大页来提升性能和吞吐量。

通过以上步骤，用户可以利用Linux的Huge Page技术进一步优化ZGC的性能和吞吐量，从而满足更高要求的应用场景需求。

四、ZGC与Shenandoah GC的性能差异与应用场景

ZGC与Shenandoah GC均致力于实现低延迟的垃圾回收，以满足不同应用场景的需求。

设计与目标：两者均设计有高效的并行回收机制，在垃圾回收过程中会利用专门的垃圾回收线程来执行回收任务，从而有效管理内存并减少应用程序的停顿时间。

使用场景差异：

内存充足场景：当系统内存资源充足时，ZGC展现出其卓越的性能。其独特的设计理念和优化策略使得它在这种情况下能够实现更短的停顿时间，为应用程序提供更为流畅的用户体验。
内存受限场景：在内存资源相对紧张的情况下，Shenandoah GC则成为更优的选择。由于其优化的并行回收机制，即使在有限的内存资源下，也能实现较短的回收时间，从而确保用户请求的执行效率维持在较高水平。

ZGC和Shenandoah GC在不同的内存条件下均有其独特的优势。根据实际应用场景的内存需求，可以灵活选择适合的垃圾回收器，以优化系统性能并提升用户体验。