JDK 21 分代 ZGC：特性解析、性能对比与实战配置

从最大暂停时间来看，ZGC 开始大放异彩。下图显示 P99 暂停时间改善了 10-20%，与 JDK 21 和 JDK 17 单代 ZGC 相比，实际改善幅度分别为 20 微秒和 30 微秒。

分代 ZGC 的最大优势在于它显著降低了单代 ZGC 的最大问题（分配停滞）发生的可能性。分配停滞是指新对象分配的速度快于 ZGC 回收内存的速度。

如果我们将用例切换到 Apache Cassandra 并查看 99.999 百分位，就会发现这个问题。下图显示，在最多 75 个并发客户端的情况下，单代 ZGC 和分代 ZGC 具有相似的性能。但是，在超过 75 个并发客户端的情况下，单代 ZGC 会不堪重负并遇到分配停滞问题。另一方面，分代 ZGC 不会遇到这种情况，即使有多达 275 个并发客户端，也能保持一致的暂停时间。

使用 ZGC

由于在 ZGC 中实现分代行为是一项重大变更，因此 ZGC 团队设置了一个从单代 ZGC 到分代 ZGC 的过渡期。在 JDK 21 中，单代仍然是使用 ZGC 时的默认实现，但最终，分代 ZGC 将在未来版本中成为默认实现，而单代计划将被弃用，然后被删除。但是，这些步骤的时间表尚未确定。

使用 JDK 21 来使用 Generational ZGC 需要以下两个 JVM 参数：

$ java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational 

调整 ZGC

ZGC 的设计目标是自我调整。在大多数情况下，用户只需提供最大堆大小的配置 -Xmx。但是，在某些情况下可能需要额外的配置；以下是一些值得考虑的关键配置。

5.1 -XX:SoftMaxHeapSize

此参数提供了 ZGC 尝试保持在以下的堆大小指导值。但是，ZGC 将超出此限制以避免分配问题。ZGC 将尝试尽快回到该值以下并将内存返回给操作系统。

如果您主要关心的是延迟，那么有几种配置值得考虑：

将最小堆大小设置为与 max heap 相同的值 -Xms。这将阻止 ZGC 将未认领的内存返回给操作系统，从而导致延迟。

5.2 -XX:-ZUncommit

可以使用该值来禁用将内存返回给操作系统。

5.3 -XX:ZUncommitDelay

这管理 ZGC 在将内存返回给操作系统之前等待的时间。默认值为 300 秒。

5.4 -XX:+AlwaysPreTouch

这会将堆的准备工作移至启动期间。这会使启动速度稍慢，但好处是可以减少平均延迟。

ZGC 剖析

相反，您正在评估分代 ZGC 以确定是否要切换到它或衡量调整更改的影响，您必须对 ZGC 进行分析才能准确评估它。收集有关垃圾收集器的诊断信息有两种主要方法：GC 日志记录和 JDK Flight Recorder。

GC 日志记录

自 JDK 9 以来，使用 JVM 日志记录变得更加容易，同时提供更高质量的数据。这是 JDK 9 中包含的两个 JEP 158 和 271 的结果。这使得 JVM 日志记录成为评估 GC 时的绝佳选择。 JVM 日志记录使用参数配置 -Xlog，如以下示例所示：

$ java -Xlog:gc:gen-zgc.log 

此命令将捕获仅带有标记 gc 的日志语句并将它们传送到文件 gen-zgc.log。

对于更广泛的 GC 日志记录，您可以使用以下命令：

$ java -Xlog:gc*:gen-zgc.log 

此命令将捕获所有包含该 gc 标签的日志语句。此命令还将打印出 GC 统计表，如本例所示。

JDK 飞行记录器

JDK Flight Recorder，JFR，是 Java 的可观察性和监控框架，直接集成到 JDK 中。有几种启动和配置 JFR 的选项；在评估 GC 时，您可能希望在启动时使用 -XX:StartFlightRecording 启用它，如下例所示：

-XX:StartFlightRecording=filename=gen-zgc.jfr,settings=profile 

这会将 JFR 数据写入 gen-zgc.jfr 并使用 profile 设置，开销不到 2%。或者，可以使用默认设置，开销不到 1%，也可以使用自定义设置。

收集到 JFR 数据后，即可在 JDK Mission Control (JMC) 中进行评估。JMC 提供了几个用于评估 GC 行为的选项卡，包括垃圾收集概述、GC 配置以及 GC 行为的总体摘要：

注意：某些摘要页面信息可能看起来有些偏离；Generational ZGC 和 JMC 开发人员正在积极讨论如何在 Generational ZGC 中最好地代表年轻垃圾收集和老垃圾收集。

结论

分代 ZGC 将使 ZGC 成为更多 Java 应用程序的绝佳选择。ZGC 提供可扩展性和超低延迟，并且随着分代功能的增加，分配停滞问题已基本得到解决。升级到 JDK 21 时，请借此机会评估分代 ZGC，看看它是否适合您的 Java 应用程序。