1. 引言
临时对象管理是Java虚拟机优化的关键性能因素。随着Java 21（现已支持Java 22）中分代ZGC的引入，内存管理进入新时代，能高效处理短生命周期对象。
本文将深入探讨分代ZGC的工作原理，分析其如何优化临时对象管理，展示其对JVM性能的整体提升，最后分享一个实用场景案例。
2. Java中的临时对象
临时对象（或短生命周期对象）指程序执行期间创建且生命周期短暂的对象。
这类对象通常是中间结果、方法参数或临时数据结构。许多Java程序中，大部分对象都属于此类，尤其在频繁方法调用、临时计算或快速数据转换的应用中。
以Web请求中的临时对象生命周期为例：
- 客户端发送HTTP请求，服务器生成临时请求对象
- 处理请求时创建额外临时对象（如会话数据操作）
- 完成后返回HTTP响应（封装在临时响应对象中）
- 响应接收后销毁所有临时对象释放内存
下图展示了Web请求中临时对象的生命周期：
3. ZGC的演进
Z垃圾收集器始于Java 11，是JVM垃圾收集演进的重要里程碑。ZGC具有低延迟和高可扩展性，是低延迟服务器工作负载的理想选择。
每个Java版本都持续优化ZGC。2023年4月，分代ZGC在Java 21中正式发布（经预览阶段），专门优化临时对象管理。
4. 分代ZGC工作原理
分代ZGC将堆内存分为两段：新创建对象区域（年轻代）和长生命周期对象区域（老年代）
4.1. 对象分配与年轻代收集
年轻对象初始分配在ZGC的年轻代区域——专为短生命周期对象设计的内存区域。
年轻代收集频率远高于老年代，能快速回收不再使用的对象内存。
4.2. 优化并发收集
年轻代收集采用并发标记和转移技术。这种双管齐下的方式使ZGC能在应用运行时标记可回收对象。
减少对应用线程的重复中断，降低延迟并提升性能敏感性。
4.3. 对象晋升与动态阈值
在年轻代经历多次收集后存活的对象会晋升到老年代。这种机制将短生命周期对象与长生命周期对象分离。ZGC根据观察到的对象生命周期分布动态调整晋升阈值。
晋升阈值决定对象何时从年轻代移至老年代，这种灵活性确保只有需要长期存储的对象才会被晋升。
4.4. 老年代收集
老年代收集频率低于年轻代，主要包含多次GC后仍存活的长生命周期对象。老年代收集旨在回收未使用对象的内存。
这些对象可能因其他部分引用而长期驻留。与年轻代类似，老年代收集也采用并发技术，确保GC回收内存时应用线程几乎不受干扰。
5. 可视化展示
为更好理解分代ZGC机制，我们可视化其工作流程：
对象在年轻代分配，通过并发标记和转移技术频繁收集。这种高频分配能快速回收临时对象内存，维持低延迟和高性能。
经历多次收集后存活的对象移至老年代，此处内存回收频率较低。算法根据对象生命周期自动调整晋升阈值，优化长生命周期对象的内存管理。
6. 临时对象的性能影响
分代ZGC的引入对创建大量临时对象的应用有显著影响：
6.1. 降低GC开销
分代ZGC为Java应用（尤其临时对象管理场景）带来显著性能提升，GC开销显著降低。
通过在年轻代执行收集（大部分短生命周期对象所在区域），分代ZGC可快速回收内存，避免昂贵的全堆收集。这减少了垃圾收集耗时，增加实际应用处理时间。
6.2. 提升吞吐量
分代ZGC的另一优势是提升吞吐量。内部基准测试显示，相比非分代版本吞吐量提升10%。
处理大量数据或高并发操作的应用受益最大。应用能在更短时间内处理更多工作，通常无需额外计算资源。
6.3. 降低暂停时间
**分代ZGC使P99暂停时间降低10%-20%**。对于低延迟或恒定响应时间至关重要的应用，这种暂停时间降低意义重大。
实时交易系统或延迟敏感型Web服务尤其如此。这类场景中，最小化暂停时间的Stop-The-World收集器对维持应用响应性至关重要，在高峰负载期尤为重要。
6.4. 高效内存回收
分代ZGC比其他GC方法更高效回收内存，降低高分配负载下内存溢出错误风险。通过紧密跟踪短生命周期对象，GC能更激进地处理晋升。
这使未使用内存更快被回收，为新分配腾出空间。这对高分配率、创建大量临时对象的应用尤其重要，有助于保持GC延迟影响可预测，防止内存耗尽崩溃。
6.5. 总结
下表总结了分代ZGC对临时对象的性能影响：
| 方面 | 描述 | 影响 |
|---|---|---|
| 降低GC开销 | 通过年轻代收集快速回收短生命周期对象 | 减少GC耗时，增加应用处理时间 |
| 提升吞吐量 | 相比非分代版本吞吐量提升10% | 单位时间处理更多工作 |
| 降低暂停时间 | P99暂停时间降低10-20% | 提升应用响应性，对实时应用至关重要 |
| 高效内存回收 | 有效回收内存减少内存溢出 | 管理高分配率，防止内存耗尽 |
7. 用例：高频交易实时数据处理
在高频交易（HFT）中，速度至关重要。系统每秒处理数百万市场数据点，生成交易订单，执行快速计算。这些过程产生如交易订单、市场快照等极短生命周期临时对象。
7.1. 分代ZGC如何帮助
分代ZGC几乎在创建瞬间就收集这些短生命周期对象，避免内存开销。
ZGC在后台无暂停运行，电子交易中微秒级暂停都可能导致错失盈利交易。
7.2. 提升吞吐量
数据高速涌入时，系统必须处理大量数据而不减速。分代ZGC快速清理累积的临时对象，确保内存为下一轮计算做好准备。即使市场繁忙，系统也能持续高效运行。
7.3. 避免内存崩溃
高频交易平台每秒生成数百万对象，内存管理必须高效以防系统崩溃。
ZGC在短生命周期对象被丢弃时持续释放空间。
7.4. 随市场扩展
随着交易量增长，系统必须处理更多数据而不损失性能。分代ZGC使平台易于扩展，即使工作负载翻倍或三倍也能高效利用内存。
8. 针对分代ZGC优化应用
为充分发挥分代ZGC潜力（尤其处理临时对象时），应遵循以下最佳实践：
8.1. 重新评估激进的对象池化
对象池化曾是常见优化手段，通过重用对象而非新建来优化内存和GC消耗。但分代ZGC已能高效处理临时对象，激进的对象池化可能不再必要，甚至可能导致性能问题。
8.2. 识别对象分配模式
分析工具可帮助识别代码中产生过多临时对象的部分。可视化此过程有助于理解和优化应用。可使用JDK Mission Control、VisualVM或JProfiler等分析工具收集实时对象分配数据。分析流程序列图如下：
开发者启动分析监控对象分配，分析工具对应用代码插桩并收集数据。开发者分析报告识别热点并优化代码。
8.3. 调整分代ZGC堆大小
堆大小调优至关重要。需调整堆大小，为特定工作负载找到年轻代与老年代的合适平衡。堆大小调优流程图如下：
从默认堆大小启动应用并监控性能指标，检查高临时对象分配。若检测到高分配，调整年轻代大小并重新运行应用。持续迭代优化堆大小，直至确定最佳配置。
8.4. 监控与调优垃圾收集
持续监控有助于微调GC行为提升应用性能。JDK Flight Recorder（JFR）和JDK Mission Control等工具可监控GC行为并提升性能。GC监控调优序列图如下：
开发者启用GC日志并启动应用，记录和分析GC事件以识别性能问题。基于分析结果调整GC参数并重启应用应用优化。
9. 未来方向
随着分代ZGC成熟，可期待进一步优化和特性：
- 自适应分代大小 - 基于应用行为动态调整年轻代和老年代大小的更复杂算法
- 增强预测性收集 - 改进预测各代收集触发时机的启发式算法
- 与JIT优化集成 - 加强GC与JIT编译器协作，优化对象分配和管理
- 特定对象类型专门处理 - 针对Java应用中常见短生命周期对象模式的潜在优化
10. 结论
本文展示了分代ZGC是JVM垃圾收集技术的重要创新。它基于分代假说，更高效收集短生命周期对象垃圾，为各类Java应用带来性能提升。
吞吐量、延迟和整体应用性能的提升，使分代ZGC成为现代Java部署的 compelling 选择，尤其在高临时对象分配场景中表现突出。