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低延迟垃圾收集器：挑战“不可能三角”

news 2025/9/19 11:39:19

在开始之前，必须再次强调 “不可能三角”：内存占用、吞吐量、延迟，三者难以同时完美。

传统的垃圾收集器（如 Serial, Parallel, CMS, G1）在堆内存变大时，停顿时间（Latency）也会显著变长，因为它们总有一些阶段需要“Stop The World”（挂起所有用户线程）来完成清理工作。这对于需要快速响应的应用（如实时交易、大数据平台、微服务）是无法接受的。

Shenandoah 和 ZGC 的目标就是打破这个魔咒，实现在任何堆大小下（比如 4TB），停顿时间都能被严格控制在十毫秒以内，同时尽可能减少对吞吐量的影响。

它们实现这一目标的核心理念是：将最耗时的“对象移动”阶段也并发化。这听起来简单，但实现起来极其复杂，因为在你移动对象的同时，用户线程可能正在读写它。两者解决方案不同，但都极其精妙。

Shenandoah： “搬家队长”与“转发牌”

你可以把 Shenandoah 想象成一个高效的搬家队长，它的核心绝招是 “转发指针”（Brooks Pointer）。

1. 它是谁？

由 RedHat 开发，是 OpenJDK 的“养子”，OracleJDK 中不包含它。
你可以把它看作是 G1 的激进并发版，架构和 G1 很像（基于 Region 的堆布局），共享部分代码。

2. 它如何实现并发搬家？（核心原理）

想象一下，你要给一个正在营业的超市换货架，顾客还在不停买东西。你怎么做？

Shenandoah 的解决方案是：给每个商品（对象）挂上一个“转发牌”。

准备工作：在每个对象内部，额外开辟一个小空间（在对象头前），里面存着一个地址。正常情况下，这个地址指向对象自己，就像商品上挂着一个写着“我在这里”的牌子。
开始搬家（并发回收阶段）：Shenandoah 启动一个并发线程，悄悄地把需要回收的区域（Region）里的存活对象复制到新区域。这整个过程是不停止营业（用户线程）的。
更新地址牌：对象复制完成后，Shenandoah 只做一件事：修改旧对象上的那个“转发牌”，把上面的地址从“旧对象”改为“新对象”的地址。注意：它不会去更新所有指向这个旧对象的引用。
顾客访问（读/写屏障）：这就是关键所在！Shenandoah 在 JVM 中设置了“哨兵”（读屏障和写屏障）。每当用户线程（顾客）要访问一个对象时，哨兵会先拦截这次访问，检查一下这个对象上的“转发牌”。

如果牌子指向自己：说明没搬过家，直接访问。

如果牌子指向别处：说明这个对象是旧对象，已经搬走了。哨兵会自动地、悄悄地根据牌子上的新地址，去访问新对象，并把这次访问的结果返回给用户。同时，它还会顺手把这个引用本身的值更新成新地址（只有第一次需要转发，后续就直接访问新对象了）。这个过程对用户线程是完全透明的。

为什么能控制停顿？因为最耗时的“复制对象”和“更新引用”工作都被并发线程和“哨兵”（屏障）分担了。那些必需的短暂停顿（初始标记、最终标记等）只处理少量核心信息（GC Roots），与堆大小无关，所以非常短。

3. 优缺点

优点：停顿时间极短，与堆大小脱钩。
缺点：“哨兵”（尤其是读屏障）带来的开销非常大。因为每一次对象读取操作都要经过这个检查步骤。这导致 Shenandoah 的吞吐量损失通常是三者中最大的。

ZGC： “魔法指针”与“自愈能力”

ZGC 的思路更加科幻。它不像 Shenandoah 那样给对象挂牌子，而是直接给指针（内存地址）施了魔法，它的核心是 染色指针（Colored Pointer）。

1. 它是谁？

由 Oracle 亲儿子开发，血统纯正，OpenJDK 和 OracleJDK 都包含。
它的设计理念源自传说中的 Azul C4 收集器，非常前沿。

2. 它如何实现并发搬家？（核心原理）

继续用超市搬家的比喻。ZGC 的做法不是挂牌子，而是它有一种“魔法墨水”，可以直接在写有商品位置的导购图（指针）上做标记。

魔法墨水：在 64 位系统中，我们其实用不了那么大的地址空间。ZGC 巧妙地利用了指针中未使用的比特位（比如高 4 位）来存储信息。这些信息包括：对象是否被标记、是否属于待回收集合、是否已被移动过。所以，ZGC 的指针不仅仅是地址，它本身就是携带元数据的。通过这个指针，ZGC 不用访问对象就能知道它的状态。
地址重映射（魔法地图）：光在指针上写墨水，CPU 可不认账，它会把这些位也当成地址的一部分，会找错地方。ZGC 的解决方案是 多重映射：它通过操作系统的内存管理功能，将好几块不同的虚拟内存地址空间（比如，指针标志位是 0010 的地图和 0000 的地图）都映射到同一块真实的物理内存上。这样，无论指针上的“魔法墨水”怎么写，最终都能通过这张“魔法地图”找到正确的物理对象。
并发搬家与自愈：当 ZGC 要移动一个对象时：

它并发地将对象复制到新 Region。

它在旧对象的位置上留下一个“转发地址”（类似于转发表）。

最关键的一步来了：当用户线程试图访问一个已经被移动的旧对象时，ZGC 的“哨兵”（读屏障）会被触发。这个哨兵一看指针上的“魔法墨水”（标志位），就知道“哦，这个对象搬走了”。于是它：去旧位置上的“转发地址”里找到新地址。直接把这个线程手中的指针值更新成新地址（并修正标志位）！再去新地址访问对象。

这个过程被称为 “自愈”（Self-Healing）。这次访问之后，这个引用本身就已经被修正了，下次再访问就是直接访问新对象，没有任何额外开销。 这是它与 Shenandoah 每次访问都可能需要检查的关键区别。

3. 优缺点

优点：停顿时间极短，同样与堆大小无关。“自愈”能力使得运行时开销远小于 Shenandoah，因此吞吐量表现通常比 Shenandoah 好得多，甚至接近 G1。无需像 G1 那样维护记忆集，节省了内存。
缺点：实现极其复杂，严重依赖底层操作系统特性（如多重映射）。不支持分代收集（目前），可能导致浮动垃圾较多，抗突发流量能力稍弱。不过这是工程选择，并非技术不能实现。