ZGC（Z Garbage Collector）是Oracle在JDK 11中引入的一款实验性的低延迟垃圾收集器，并在JDK 15中正式发布。它的设计目标是：在任意堆内存大小下（从几百MB到数TB），将垃圾收集的停顿时间控制在10毫秒以内。这是一个极其雄心勃勃的目标，旨在解决G1和CMS在大堆应用上仍然可能产生较长停顿的问题。

核心目标与设计理念

ZGC的核心设计理念是几乎所有的垃圾收集工作都是并发执行的，从而将STW（Stop-The-World）停顿缩短到仅有的几个毫秒级阶段。为了实现这一目标，ZGC采用了两大基石技术：着色指针和读屏障。

核心技术：着色指针与读屏障

1. 着色指针 (Colored Pointers)

这是ZGC的基石。它颠覆了传统观念，在指针本身而不是在对象头上存储元数据信息。

在64位平台上，一个指针的理论寻址空间是2^64字节，这是一个极其巨大的空间。而实际上，现代硬件和操作系统并不会使用完所有64位。Linux/x86_64平台通常使用48位虚拟地址空间（高16位为符号扩展），而AMD64架构支持52位物理地址空间。ZGC巧妙地利用了这些未使用的指针位来存储信息。

ZGC使用了64位指针中的4个位（称为“元位”）来标记对象的状态：

• Finalizable：对象只能通过finalizer访问。
• Remapped：对象已被重映射（即新的地址已被记录）。
• Marked1：标记状态1。
• Marked0：标记状态0。

这些“颜色”标记了对象在GC周期中的状态。通过操作指针的颜色位，ZGC可以高效地并发执行标记和重定位（压缩）操作，而无需暂停所有应用线程。

2. 读屏障 (Load Barrier)

读屏障是JVM在从堆内存加载引用时插入的一小段代码。可以把它想象成一个“陷阱”或一个“钩子”。每当应用程序线程从堆中读取一个对象引用时（例如 Object foo = obj.field;），ZGC的读屏障就会被触发。

读屏障的核心作用：根据着色指针的颜色位，“治愈” 这个引用。

• 如果读到的指针颜色显示该对象尚未被处理（例如，尚未被标记或尚未被重定位），读屏障会主动介入，完成相应的处理工作（例如，标记对象或更新引用到新地址）。
• 如果指针颜色显示一切正常，则读屏障几乎不做任何事，开销极低。

正是“着色指针+读屏障”的结合，使得ZGC的标记和重定位两大最耗时的任务能够与应用线程并发执行。

ZGC的执行过程

ZGC的GC周期可以分为几个阶段，其中标记和重定位是核心。

1. 初始标记 (Pause Mark Start)

• 任务：从GC Roots（线程栈、全局变量等）开始，标记所有直接可达的对象。这是一个非常快速的、STW的过程。
• 过程：遍历GC Roots，将直接引用的对象压入标记栈中。

2. 并发标记 (Concurrent Mark)

• 任务：从标记栈中的对象开始，递归遍历整个对象图，标记所有存活的对象。
• 状态：完全并发。应用线程仍在运行。
• 关键技术：读屏障。当应用线程加载一个尚未被标记的对象的引用时，读屏障会拦截该引用，并完成对该对象的标记（将其颜色位设为Marked0或Marked1），并将其加入标记栈。这确保了所有在并发标记阶段被访问到的对象都会被正确标记。

3. 最终标记 (Pause Mark End)

• 任务：处理一些边缘情况（如弱引用处理），并确保标记栈是空的，标志着整个对象图的标记工作已经完成。
• 状态：一个非常短暂的 STW 停顿。

4. 并发准备重定位 (Concurrent Prepare for Relocate)

• 任务：根据标记结果（存活对象），筛选出哪些内存区域包含最多的垃圾（即最适合进行压缩回收），并创建重分配集（Relocation Set）。

5. 初始重定位 (Pause Relocate Start)

• 任务：为重分配集中的每个Region分配转发指针（Forwarding Pointer）所需的数据结构。
• 状态：一个非常短暂的 STW 停顿。

6. 并发重定位 (Concurrent Relocate)

• 任务：这是ZGC最核心、最神奇的部分。它将重分配集中的存活对象复制到新的Region中。
• 状态：完全并发。
• 工作原理：
• GC线程开始复制存活对象到新的Region。
• 同时，应用线程仍在运行，并可能访问已被重定位或尚未重定位的对象。
• 读屏障再次发挥关键作用：

• 如果一个应用线程尝试访问一个尚未被重定位的对象，读屏障会先完成这个对象的复制工作，然后更新应用线程手中的引用，使其指向新地址。
• 如果一个应用线程尝试访问一个已经被其他线程重定位的对象，读屏障会通过对象旧地址上的“转发指针”来“治愈”这个引用，直接返回新地址。
• 这个过程确保了所有引用最终都会被正确地更新到新地址，而无需暂停应用线程。

下图展示了ZGC如何通过其并发的标记和重定位阶段，将漫长的STW时间分解为多个极短的停顿，从而实现其超低延迟的目标：

ZGC如何解决“对象消失”问题

与G1的SATB和CMS的增量更新不同，ZGC的并发标记基于一种称为 “指针着色” 的机制，它本身通过读屏障就足以保证标记的正确性。

在ZGC的并发标记阶段：

1. 对象的状态通过指针的颜色位来标识（Marked0/Marked1）。
2. 当应用线程试图将一个引用写入某个字段时（A.field = B），它只是简单地存储了一个指向B的指针（可能带着未标记的颜色）。
3. 当另一个线程（或之后同一个线程）读取 A.field 时，读屏障会被触发。
4. 读屏障检查引用B的颜色。如果它尚未被标记，读屏障会立即将其标记（修改颜色位），然后再将“治愈”后的正确引用返回给应用线程。

这种方式确保了：

• 任何被存活对象引用的对象，在引用被读取时都会被立刻标记，从而不会被错误回收。
• 它不需要像G1那样维护复杂的RSet来跟踪跨Region引用，因为“治愈”工作是在读取时即时完成的。

ZGC的优缺点与调优

优点

1. 超低停顿：停顿时间通常不超过10ms，且不随堆大小增长而增长。
2. 高吞吐量：虽然引入了读屏障，但其设计非常高效，吞吐量损失相对于G1通常只在15%以内。
3. 简化的调优：参数远比G1简单，核心目标通常只需设定最大停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）。

缺点与注意事项

1. CPU开销：读屏障虽然高效，但仍会带来额外的CPU开销。在CPU极度紧张的应用中，可能需要评估其影响。
2. JDK版本：生产环境强烈建议使用其正式版后的LTS版本，如JDK 17或JDK 21，以获得最佳的稳定性和性能。
3. 观察性工具：传统的jstat等工具对ZGC的支持有限，需要依赖ZGC自己的日志和更新的工具（如JDK的jcmd、GC日志分析）来进行监控和调优。

关键参数

• 启用ZGC：-XX:+UseZGC
• 设置最大停顿时间目标：-XX:MaxGCPauseMillis=5 （单位ms，默认无目标，但ZGC会尽力优化）
• 启用并行GC线程动态调整：-XX:+UseDynamicGCThreads （推荐，默认开启）
• 开启GC日志：-Xlog:gc*:gc.log （JDK 9+ Unified Logging格式）

总结

ZGC代表了Java垃圾收集技术的前沿。它通过革命性的着色指针和读屏障技术，将GC停顿时间降低到了一个前所未有的水平，几乎让Java应用程序感觉不到垃圾收集的存在。尽管它需要更高的JDK版本支持，并且可能带来轻微的CPU开销，但对于追求极致响应速度的应用（如金融交易、大数据处理、实时游戏服务器），ZGC是一个改变游戏规则的选择。随着JDK的持续演进，ZGC正变得越来越成熟和稳定，是未来Java大内存低延迟应用的默认选择。