ZGC的内存划分

最后的自由

2025-07-23 110 阅读3分钟

ZGC的内存划分

ZGC（Z Garbage Collector）的内存划分采用基于Region的动态分区策略，通过将堆内存划分为三类不同大小的Region来优化内存管理和垃圾回收效率。以下是其核心设计要点及工作原理：

⚙️ 一、Region类型与规格

ZGC将堆内存分为三类Region，每种针对不同大小的对象设计，具体规则如下：

Region类型	固定容量	适用对象大小	特点
小型Region	2MB	< 256KB的小对象	可存放多个对象
中型Region	32MB	256KB ≤ size < 4MB	存放中等对象，减少碎片
大型Region	动态（≥4MB）	≥4MB的大对象	独占式分配，每个Region仅存放一个对象

设计意图：

小型对象：通过小Region提高内存利用率，减少内部碎片。
中型对象：避免大对象占用过多小Region导致管理开销。
大型对象：独立分配避免拆分，回收后Region可立即重用。

🔍 二、Region的动态特性

1. 创建与销毁

动态扩展：当某种类型的Region不足时，ZGC从操作系统申请新内存并动态创建Region。
即时回收：Region内所有对象被回收后，该Region立即释放给操作系统（通过XX:ZUncommitDelay控制延迟时间）。

2. 容量自适应

大型Region容量按需分配（如8MB对象占用4个2MB单元），但必须为2MB整数倍。
堆总容量在Xms（最小堆）和Xmx（最大堆）间动态调整，避免固定分区导致的浪费。

🧩 三、Region分配策略

小/中对象分配：
- 优先选择同类型空闲Region，若无则申请新Region。
- 通过线程本地缓存（类似TLAB但无分代）减少全局锁竞争。
大对象分配：
- 直接分配专属Large Region，若空间不足触发GC或扩展堆。
NUMA优化：
- 默认启用NUMA感知（XX:+UseNUMA），对象分配在物理靠近CPU的Region，提升内存访问速度。

⚡️ 四、染色指针与内存管理

ZGC通过染色指针（Colored Pointers） 技术将GC状态信息嵌入64位指针的高4位：

标志位	作用
`Marked0/1`	标识对象存活状态（用于并发标记）
`Remapped`	表示对象是否被重定位（转移至新Region）
`Finalizable`	标识需通过`finalize()`访问的对象

关键技术支撑：

内存多重映射（Multi-Mapping） 将同一物理内存映射到三个虚拟地址视图（Marked0、Marked1、Remapped），使染色指针可正常寻址。
自愈指针（Self-Healing） 应用线程访问旧对象指针时，读屏障自动将其修正为新地址，无需STW更新引用。

🚀 **五、设计优势与性能影响

即时回收空间 存活对象移出后，Region立即释放（无需等待引用更新），提高内存周转率。
低碎片化 大对象独占Region+中型Region预分配，显著减少外部碎片。
停顿时间可控 Region级回收允许并行清理，STW阶段仅处理Root引用（通常<1ms），且与堆大小无关。
扩展性 染色指针预留18位未使用空间，支持未来记录更多GC状态（如分代标记）。

💎 总结：ZGC Region设计的核心价值

ZGC通过动态三类Region划分 + 染色指针技术，实现了：

✅ 亚毫秒级停顿：即使TB级堆，STW时间仍稳定在1ms内。
✅ 高内存利用率：即时释放、按需分配，减少碎片和预留空间。
✅ 无分代管理：简化设计，避免G1的Remembered Set维护开销。

生产建议：

大堆场景（如>32GB）启用-XX:+UseLargePages提升性能，并通过-Xlog:gc*监控Region分配与回收频率，调整-XX:ConcGCThreads平衡GC与应用线程竞争。