新生代GC Minor Collection

新生代GC Minor Collection

在 JDK 21 的分代式 ZGC（Generational ZGC）中，Minor Collection 是专为高效回收年轻代（Young Generation）对象设计的垃圾回收过程。其核心目标是通过极低延迟（通常 <1ms）快速回收短期存活对象，避免影响应用线程，同时大幅降低 Allocation Stall（内存分配阻塞）风险。以下是其工作原理、技术实现及优化细节的全面解析：

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🔄 一、Minor Collection 触发条件

1. 年轻代空间不足： 当对象分配速率超过回收能力，年轻代 Region 耗尽时触发。
2. 自适应预测机制： ZGC 实时监控分配速率，通过正态分布预测内存耗尽时间点，提前触发回收（避免被动阻塞）。
3. 周期性触发： 若启用 XX:ZCollectionInterval 参数，则按固定时间间隔强制执行，应对突发流量。

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⚙️ 二、工作流程：并发标记与移动

Minor Collection 全程与用户线程并发执行，仅需极短同步停顿（两次 <1ms 的 STW）。流程分阶段如下：

阶段 1：Pause Mark Start（同步停顿）

• 目的：初始化标记，创建根集合（GC Roots）。
• 操作：
  • 暂停所有应用线程（STW）。
  • 扫描栈帧、静态变量等 GC Roots，标记直接可达的年轻代对象。
• 耗时：通常 ≤200μs（与堆大小无关）。

阶段 2：Concurrent Mark/Remap（并发标记与重映射）

• 目的：标记存活对象，并更新跨代引用。
• 操作：
  • 并发标记：从 GC Roots 遍历对象图，标记所有存活对象（使用染色指针记录状态）。
  • 维护 Remembered Set：
    • Store Barrier 实时记录老年代指向年轻代的引用（跨代引用），避免全堆扫描。
    • 通过卡表（Card Table） 标记存在跨代引用的内存页，Minor GC 仅需扫描这些页。
  • 重映射：若对象已被移动（如上次 Major GC），Load Barrier 自动修正引用至新地址。主要是修复上一次gc之后，没有通过读屏障更新引用的引用。
• 特点：完全并发，无应用线程阻塞。

阶段 3：Pause Mark End（同步停顿）

• 目的：确认标记结果，准备对象移动。
• 操作：
  • 短暂 STW，校验存活对象集合。
  • 筛选待回收的 Region（死亡对象占比高的区域）。
• 耗时：≤200μs。

阶段 4：Concurrent Relocate（并发移动）

• 目的：将存活对象复制到新 Region，释放连续内存。
• 操作：
  • 复制存活对象：
    • 小型Region，死亡对象占比高的region存活对象复制至空闲年轻代 Region（或晋升至老年代）。
    • 小型Region，死亡对象占比低的region不移动存活对象，只标记死亡对象的空间(将死亡对象空间加入空闲链表)
    • 中型Region，与小型Region策略一致
    • 大型Region，将region标记为清除，放回大型region的空闲链表
    • 使用转发表（Forwarding Table） 记录新旧地址映射。
  • 引用更新：
    • Load Barrier 拦截对象访问，自动重定向至新地址（零复制感知）。
• 特点：移动过程并发，应用线程通过屏障无感切换对象地址。

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🧩 三、核心技术：屏障与染色指针

分代 ZGC 通过以下技术实现并发回收与低延迟：

技术	作用	优化效果
染色指针	指针高 4 位存储对象状态（如存活、重定位标记）。	免去访问对象头，减少内存开销。
Load Barrier	读引用时移除元数据位，并修正过期指针（如对象移动后）。	实现对象移动的透明化，避免 STW。
Store Barrier	写引用时记录跨代指针到 Remembered Set，并标记对象存活。	解决跨代引用问题，避免扫描全堆。
Remembered Set	存储老年代→年轻代的跨代引用，通过卡表实现位图标记。	Minor GC 仅扫描相关内存页，效率提升 10 倍+。

案例：京东压测显示，分代 ZGC 的 Remembered Set 使 Minor GC 耗时降低 85%，吞吐量提升 4 倍。

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⚡ 四、性能优势与调优建议

1. 性能优势

• 低延迟：全程并发，STW 总时长 <1ms（TB 堆下仍稳定）。
• 高吞吐：针对性回收年轻代（90% 对象短期消亡），减少无效扫描。
• 无碎片：复制算法整理内存，避免老年代碎片导致的 Full GC。

2. 调优建议

• 启用分代模式：JDK 21 需显式开启：

  -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational
  

• 关键参数：

  • Xmx：唯一需手动设置的参数，建议为物理内存 60%~80%。
  • XX:ZAllocationSpikeTolerance=2：降低值可提前触发 GC，避免阻塞（默认 2，敏感场景可设 1.5）。
  • Xlog:gc*：启用详细日志，监控 Allocation Stall 频率。

• 避坑指南：

  • 禁用传统参数（如 Xmn、XX:ConcGCThreads），分代 ZGC 自适应优化更高效。
  • 升级配套组件：Spring Boot ≥2.7.18、Lombok ≥1.18.30。

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💎 总结

Minor Collection 是分代 ZGC 的核心创新，通过并发标记、Remembered Set 精准管理跨代引用、读写屏障实现对象移动无感化，在亚毫秒级停顿下高效回收年轻代。其设计本质是以空间换确定性：通过额外内存维护元数据（如卡表、染色指针），换取极低延迟与高吞吐。生产实践表明，分代 ZGC 的 Minor Collection 可降低 Allocation Stall 达 85%，适用于电商秒杀、实时交易等内存敏感型场景。