探秘ZGC

清疚 2022-10-07 05:54 265阅读 0赞

ZGC（The Z Garbage Collector）是JDK 11中推出的一款低延迟垃圾回收器，目前处于试验阶段，它的优势包括：

*  停顿时间不超过10ms，可以在KB~TB的工作范围下进行垃圾回收；
 *  停顿时间不会随着堆的大小，或者活跃对象的大小而增加；
 *  支持8MB~4TB级别的堆（未来支持16TB）

##### 为什么要引入ZGC #####

众所周知在一些高性能低延迟的应用中，GC往往是应用的瓶颈，因为在GC期间会发生STW（Stop The World），当STW时，所有应用线程停止活动，等待GC停顿结束。在一些对响应时间比较苛刻的系统中，GC往往是非常难优化的一点，这也是为什么垃圾收集器在不断演进的一个重要原因。

ZGC保证，不管在什么情况下，延迟不会超过10毫秒。

> The Z Garbage Collector, also known as ZGC, is a scalable low latency garbage collector designed to meet the following goals:
> 
>  *  Pause times do not exceed 10ms
>  *  Pause times do not increase with the heap or live-set size
>  *  Handle heaps ranging from a few hundred megabytes to multi terabytes in size

现对于CMS和G1的GC过程以及停顿时间的瓶颈，全局并发的ZGC（标记、转移和重定位阶段几乎都是并发的）显然是一个更好的选择。

##### ZGC的特点 #####

ZGC最典型的特性是它是一款并发(concurrent)的GC，其它的特性如下：

*  它可以标记内存，复制和迁移(relocate)内存，所有的操作都是并发的，同时它有一个并发的引用处理器
 *  其它的垃圾收集器都是使用store barriers，ZGC使用load barriers，用于跟踪内存
    
     *  lock->unlock->read->load 读内存
     *  use->assign->store->write 写内存
 *  ZGC可以更加灵活的配置大小和策略，相比于G1，它可以更好的处理非常大(very large)对象的释放
 *  ZGC只有一代，没有新生代，老年代什么的，但是ZGC可以支持局部压缩，在内存恢复和迁移(reclaim and relocate)时，ZGC仍然有很高的性能
 *  ZGC依赖NUMA-aware(非均衡存储器访问)，需要我们的内存支持这种特点

##### ZGC堆内存布局 #####

*  与G1一样，ZGC也采用基于Region的堆内存布局
 *  ZGC的Region具有动态性
 *  动态的创建和销毁
 *  动态的Region容量大小  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
    大小分类:
 *  小型Region(Small Region)：固定大小2MB，存放小于256KB的小对象
 *  中型Region(Medium Region)：固定大小32MB，存放大于256KB小于4MB的对象
 *  大型Region(Large Region)：大小不固定，可以动态变化，但必须是2MB的整数倍，用于放大于4MB的大对象，每个大型Region只会放一个大对象，所以实际容量可能会小于中型Region，最小到4MB。大型Region在ZGC实现中不会被重分配，因为复制一个大对象代价太高。

##### ZGC的着色指针技术 #####

着色指针是一种直接将少量额外的信息存储在指针上的技术。目前在Linux下64位的操作系统中高18位是不能用来寻址的，但是剩余的46为却可以支持64T的空间，到目前为止我们几乎还用不到这么多内存。于是ZGC将46位中的高4位取出，用来存储4个标志位，剩余的42位可以支持4TB(2的42次幂)的内存，也直接导致ZGC可以管理的内存不超过4TB，如图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

*  Marked0/marked1: 判断对象是否已标记
 *  Remapped: 判断应用是否已指向新的地址
 *  Finalizable: 判断对象是否只能被Finalizer访问

这几个bits在不同的状态也就代表这个引用的不同颜色

对象标记过程就是打个三色标记，这些标记本质上只和对象引用有关，和对象本身无关。某个对象只有它的引用关系才能决定它的存活。

ZGC使用了内存多重映射（Multi-Mapping）将多个不同的虚拟内存地址映射到同一个物理内存地址上，这是一种多对一映射。因为染色指针只是重新定义内存中某些指针的其中几位，OS又不支持，OS只会把整个指针当做一个内存地址来对待，只是它自己瞎想，为了解决这个问题，使用了现代处理器的虚拟内存映射技术。

##### ZGC的读屏障技术 #####

读屏障是JVM向应用代码插入一小段代码的技术。当应用线程从堆中读取对象引用时，就会执行这段代码。需要注意的是，仅“从堆中读取对象引用”才会触发这段代码。

##### ZGC回收流程 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
我们将上图进行拆解来理解

*  初始标记(STW)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
停止用户线程，标记GC Root对象. 1、2、4被标记为存活对象。

*  并发标记

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
并发递归从GC Root开始遍历可达对象，5、8被标记为存活对象。

*  移动对象

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
对比发现3、6、7是过期的对象，中间灰色的Region需要被清理压缩，所以将4、5、8移动到右边空的Region,移动过程中有个`forward table`记录这种转变。

*  修正指针

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
由于4、5、8发生了移动，所以需要修正。

##### 总结 #####

*  ZGC作为下一代垃圾回收器，性能非常优秀。ZGC垃圾回收过程几乎全部是并发，实际STW停顿时间极短，不到10ms。这得益于其采用的着色指针和读屏障技术。
 *  ZGC不是“银弹”，需要根据服务的具体特点进行调优，并且需要支持NUMA-aware(非均衡存储器访问)，需要我们的内存支持这种特点。所以还是要根据公司业务的需求和实际情况来权衡。

##### 参考链接 #####

*  [https://tech.meituan.com/2020/08/06/new-zgc-practice-in-meituan.html][https_tech.meituan.com_2020_08_06_new-zgc-practice-in-meituan.html]
 *  [https://www.baeldung.com/jvm-zgc-garbage-collector][https_www.baeldung.com_jvm-zgc-garbage-collector]
 *  [https://hub.packtpub.com/getting-started-with-z-garbage-collectorzgc-in-java-11-tutorial/][https_hub.packtpub.com_getting-started-with-z-garbage-collectorzgc-in-java-11-tutorial]

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[https_tech.meituan.com_2020_08_06_new-zgc-practice-in-meituan.html]: https://tech.meituan.com/2020/08/06/new-zgc-practice-in-meituan.html
[https_www.baeldung.com_jvm-zgc-garbage-collector]: https://www.baeldung.com/jvm-zgc-garbage-collector
[https_hub.packtpub.com_getting-started-with-z-garbage-collectorzgc-in-java-11-tutorial]: https://hub.packtpub.com/getting-started-with-z-garbage-collectorzgc-in-java-11-tutorial/