Java ZGC 算法调优

ZGC 是一种专门的垃圾收集器，专注于管理大型堆并最大限度地减少 Java 应用程序中的暂停。它解决了内存密集型工作负载和一致的响应时间至关重要的场景中垃圾收集的挑战。利用并发处理能力和先进算法，ZGC 为优化 Java 应用程序的性能提供了有效的解决方案。在这篇文章中，我们将探索调整 ZGC 来提高性能的技术。

ZGC 调整参数

ZGC 是 Java 中的垃圾收集器，它采用不同的方法通过最小化公开的 JVM参数的数量来进行调整。与需要细粒度调整的传统垃圾收集器不同，ZGC专注于优化大堆大小的管理，同时以最小的配置开销提供高效的垃圾收集。这种简化的方法使开发人员能够主要关注一个关键的 JVM参数进行调整：堆大小。

1. 堆大小（-Xmx）

“堆大小”参数是 ZGC 的一个重要调整选项。它确定分配给 Java 堆的最大内存量，Java 堆是 Java 应用程序执行期间在内存中存储对象的位置。

配置 ZGC 的堆大小时，需要考虑几个因素。首先，您需要确保堆可以容纳应用程序的活动集，其中包括运行时主动使用的所有对象。分配太小的堆大小可能会导致频繁的垃圾收集并增加暂停时间，因为 ZGC 需要更频繁地运行来回收内存。

另一方面，分配太大的堆大小可能会导致内存资源浪费。在内存使用和垃圾收集频率之间取得平衡非常重要。具体的最佳堆大小取决于应用程序的内存要求、实时集的大小以及系统的整体内存可用性等因素。

要指定堆大小，在启动 Java 应用程序时使用 -Xmx。例如，-Xmx32g将最大堆大小设置为 32 GB。

2.并发GC线程数(-XX:ConcGCThreads )

另一个需要考虑的调整选项是 ZGC 中并发垃圾收集 (GC) 线程的数量，可以使用标志进行配置-XX:ConcGCThreads=。ZGC 具有内置启发式功能，可以根据应用程序的特征自动选择最佳线程数。ZGC 中的默认启发式通常适用于大多数场景。但是，根据应用程序的具体行为和要求，您可能需要调整并发 GC 线程的数量。该参数决定了分配给垃圾收集器的CPU时间。分配太多线程可能会导致 GC 过度使用 CPU，从而夺走应用程序中宝贵的资源。另一方面，分配太少的线程可能会降低 GC 性能。

从JDK 17开始，ZGC引入了并发GC线程数的动态缩放。这意味着ZGC可以根据工作负载自动调整线程数量，从而减少手动调整该参数的可能性。

3.启用大页面（-XX:+UseLargePages）

配置 ZGC 以利用大页面可以提高吞吐量、减少延迟并缩短启动时间。大页面，也称为巨页，在 Linux/x86 系统上的大小为 2MB。大页面是大于标准页面大小的内存页面。它们具有减少内存管理开销和提高内存访问效率等优点。

要在ZGC中启用大页面，您需要-XX:+UseLargePages在JVM中配置该选项。

注意：启用大页面需要在操作系统级别完成某些配置。这些配置（例如将内存分配给大页面池和设置 Hugetlbfs 文件系统）超出了本文的范围。

4.启用透明（-XX:+UseTransparentHugePages）

使用显式大页面（如上所述）的替代方法是使用透明大页面 (THP)。THP 是 Linux 内核中的一项功能，可自动将标准内存页聚合为更大、更高效的巨页。THP 旨在通过减少与管理各个页面相关的开销来改进内存管理。通过将多个标准页面分组为单个大页面（通常大小为 2MB），THP 可以潜在地提高性能。

要在 JVM 中启用透明大页，可以使用-XX:+UseTransparentHugePages选项。这允许 Java 应用程序利用操作系统管理的大型聚合内存页。值得注意的是，THP 在某些情况下可能会引入延迟峰值，这使得它不太适合延迟敏感的应用程序。在启用 THP 之前，建议评估其对您的特定工作负载和性能要求的影响。

注意：在内核级别配置和管理透明大页可能需要额外的步骤，具体细节超出了本文的范围。

5. 启用 NUMA 支持（-XX:+UseNUMA）

ZGC 具有 NUMA 支持，这意味着它将尽力将 Java 堆分配定向到 NUMA 本地内存。NUMA 代表非统一内存访问，指的是多插槽系统中使用的架构设计。在 NUMA 系统中，内存被划分为多个内存节点，每个节点与特定的处理器或插槽相关联。与访问远程内存节点相比，每个处理器对其自己的本地内存节点的访问速度更快。

默认情况下，ZGC 启用 NUMA 支持，使其能够利用 NUMA 架构的优势。它自动检测并利用本地内存节点来优化内存访问并提高性能。但是，如果 JVM 检测到它必须使用单个 NUMA 节点上的内存，则将禁用 NUMA 支持。

在大多数情况下，您不需要显式配置 NUMA 支持。但是，如果您想覆盖 JVM 的决定，可以使用以下选项：

要显式启用 NUMA 支持：-XX:+UseNUMA

要显式禁用 NUMA 支持：-XX:-UseNUMA

注意： NUMA 支持对于多插槽 x86 机器或具有 NUMA 架构的其他系统尤其重要。它可能不会对单插槽或非 NUMA 系统的性能产生重大影响。

6. 将未使用的内存返回给操作系统（-XX:+ZUncommit）

ZGC 被有效地设计来管理大堆大小。当应用程序不需要时分配较大的堆大小可能会导致内存使用效率低下。默认情况下，ZGC 取消提交未使用的内存，将其返回给操作系统。可以使用 禁用此功能-XX:-ZUncommit。

-XmsZGC 确保内存不会在堆大小低于指定的最小堆大小 ( )的情况下未提交。因此，如果最小堆大小设置为与最大堆大小 ( -Xmx) 匹配，则取消提交功能将被隐式禁用。

为了提供管理未提交内存的灵活性，ZGC 允许您使用该选项配置未提交延迟-XX:ZUncommitDelay=，默认延迟为 300 秒。此延迟指定内存在符合取消提交资格之前应保持未使用状态的持续时间。

注意：允许 ZGC 在应用程序运行时提交和取消提交内存可能会影响应用程序的响应时间。-Xmx如果使用 ZGC 时实现极低延迟是主要目标，建议为最大堆大小 ( ) 和最小堆大小 ( )设置相同的值-Xms。此外，利用该-XX:+AlwaysPreTouch选项可能是有益的，因为它在应用程序启动之前预先分页内存，从而优化性能并减少延迟。

调整 ZGC 行为
研究 ZGC 的性能特征最好通过分析 GC 日志来实现。GC 日志包含有关垃圾收集事件、内存使用情况和其他相关指标的详细信息。有多种工具可以帮助分析 GC 日志，例如 GCeasy、IBM GC & Memory Visualizer、HP Jmeter 和 Google Garbage Cat。通过使用这些工具，您可以可视化内存分配模式、识别潜在瓶颈并评估垃圾收集的效率。这样可以在微调 ZGC 以获得最佳性能时做出明智的决策。

结论

总之，本文讨论了 ZGC 的各种 JVM 调整参数，旨在优化其在 Java应用程序中的性能。通过利用这些调整选项，开发人员可以根据其特定要求微调 ZGC 以提供最佳性能。此外，仔细分析 GC 日志并监控 ZGC的行为可以为其性能特征提供有价值的见解。通过试验这些调整参数并密切监视 GC 日志，开发人员可以释放 ZGC 的全部潜力并确保其 Java 应用程序中的高效垃圾收集。