ZGC（Z Garbage Collector）是一款由Oracle公司研發(fā)的，以低延遲為首要目標(biāo)的一款垃圾收集器。它是基于動態(tài)Region內(nèi)存布局，（暫時）不設(shè)年齡分代，使用了讀屏障、染色指針和內(nèi)存多重映射等技術(shù)來實現(xiàn)可并發(fā)的標(biāo)記-整理算法的收集器。

在JDK 11新加入，還在實驗階段，主要特點是：回收TB級內(nèi)存（最大4T），停頓時間不超過10ms。

動態(tài)Region

ZGC的Region可以具有如圖所示的大、中、小三類容量：

• 小型Region（Small Region）：容量固定為2MB，用于放置小于256KB的小對象。

• 中型Region（Medium Region）：容量固定為32MB，用于放置大于等于256KB但小于4MB的對象。·

• 大型Region（Large Region）：容量不固定，可以動態(tài)變化，但必須為2MB的整數(shù)倍，用于放置4MB或以上的大對象。每個大型Region中只會存放一個大對象，最小容量可低至4MB，所有大型Region可能小于中型Region。大型Region在ZGC的實現(xiàn)中是不會被重分配的，因為復(fù)制一個大對象的代價非常高昂。

染色指針技術(shù)

HotSpot虛擬機的標(biāo)記實現(xiàn)方案有如下幾種：

1. 把標(biāo)記直接記錄在對象頭上（如Serial收集器）；

2. 把標(biāo)記記錄在與對象相互獨立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上（如G1、Shenandoah使用了一種相當(dāng)于堆內(nèi)存的1/64大小的，稱為BitMap的結(jié)構(gòu)來記錄標(biāo)記信息）；

3. 直接把標(biāo)記信息記在引用對象的指針上（如ZGC）

染色指針是一種直接將少量額外的信息存儲在指針上的技術(shù)。目前在Linux下64位的操作系統(tǒng)中高18位是不能用來尋址的，但是剩余的46為卻可以支持64T的空間，到目前為止我們幾乎還用不到這么多內(nèi)存。于是ZGC將46位中的高4位取出，用來存儲4個標(biāo)志位，剩余的42位可以支持4T的內(nèi)存，如圖所示：

• Linux下64位指針的高18位不能用來尋址，所有不能使用；

• Finalizable：表示是否只能通過finalize()方法才能被訪問到，其他途徑不行；

• Remapped：表示是否進(jìn)入了重分配集（即被移動過）；

• Marked1、Marked0：表示對象的三色標(biāo)記狀態(tài)；

• 最后42用來存對象地址，最大支持4T；

三色標(biāo)記

在并發(fā)的可達(dá)性分析算法中我們使用三色標(biāo)記（Tri-color Marking）來標(biāo)記對象是否被收集器訪問過：

• 白色：表示對象尚未被垃圾收集器訪問過。顯然在可達(dá)性分析剛剛開始的階段，所有的對象都是白色的，若在分析結(jié)束的階段，仍然是白色的對象，即代表不可達(dá)。

• 黑色：表示對象已經(jīng)被垃圾收集器訪問過，且這個對象的所有引用都已經(jīng)掃描過。黑色的對象代表已經(jīng)掃描過，它是安全存活的，如果有其他對象引用指向了黑色對象，無須重新掃描一遍。黑色對象不可能直接（不經(jīng)過灰色對象）指向某個白色對象。

• 灰色：表示對象已經(jīng)被垃圾收集器訪問過，但這個對象上至少存在一個引用還沒有被掃描過。

可達(dá)性分析的掃描過程，其實就是一股以灰色為波峰的波紋從黑向白推進(jìn)的過程，但是在并發(fā)的推進(jìn)過程中會產(chǎn)生“對象消失”的問題，如圖：

對象消失理論，只有同時滿足才會發(fā)生對象消失：

• 賦值器插入了一條或多條從黑色對象到白色對象的新引用；

• 賦值器刪除了全部從灰色對象到該白色對象的直接或間接引用；

要解決對象消失問題只需要破壞其中一條就行了，目前常用有兩種方案：

• 增量更新（Incremental Update）:增量更新要破壞的是第一個條件，當(dāng)黑色對象插入新的指向白色對象的引用關(guān)系時，就將這個新插入的引用記錄下來，等并發(fā)掃描結(jié)束之后，再將這些記錄過的引用關(guān)系中的黑色對象為根，重新掃描一次。這可以簡化理解為，黑色對象一旦新插入了指向白色對象的引用之后，它就變回灰色對象了。

• 原始快照（Snapshot At TheBeginning，SATB）:原始快照要破壞的是第二個條件，當(dāng)灰色對象要刪除指向白色對象的引用關(guān)系時，就將這個要刪除的引用記錄下來，在并發(fā)掃描結(jié)束之后，再將這些記錄過的引用關(guān)系中的灰色對象為根，重新掃描一次。這也可以簡化理解為，無論引用關(guān)系刪除與否，都會按照剛剛開始掃描那一刻的對象圖快照來進(jìn)行搜索。

以上無論是對引用關(guān)系記錄的插入還是刪除，虛擬機的記錄操作都是通過寫屏障實現(xiàn)的。CMS是基于增量更新來做并發(fā)標(biāo)記的，G1、Shenandoah則是用原始快照來實現(xiàn)。

染色指針的三大優(yōu)勢

1. 一旦某個Region的存活對象被移走之后，這個Region立即就能夠被釋放和重用掉，而不必等待整個堆中所有指向該Region的引用都被修正后才能清理，這使得理論上只要還有一個空閑Region，ZGC就能完成收集。而Shenandoah需要等到更新階段結(jié)束才能釋放回收集中的Region，如果Region里面對象都存活的時候，需要1:1的空間才能完成收集。

2. 染色指針可以大幅減少在垃圾收集過程中內(nèi)存屏障的使用數(shù)量，ZGC只使用了讀屏障。

3. 染色指針具備強大的擴展性，它可以作為一種可擴展的存儲結(jié)構(gòu)用來記錄更多與對象標(biāo)記、重定位過程相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便日后進(jìn)一步提高性能。

內(nèi)存多重映射

ZGC使用了內(nèi)存多重映射（Multi-Mapping）將多個不同的虛擬內(nèi)存地址映射到同一個物理內(nèi)存地址上，這是一種多對一映射，意味著ZGC在虛擬內(nèi)存中看到的地址空間要比實際的堆內(nèi)存容量來得更大。把染色指針中的標(biāo)志位看作是地址的分段符，那只要將這些不同的地址段都映射到同一個物理內(nèi)存空間，經(jīng)過多重映射轉(zhuǎn)換后，就可以使用染色指針正常進(jìn)行尋址了，效果如圖：

ZGC的多重映射只是它采用染色指針技術(shù)的伴生產(chǎn)物

讀屏障

當(dāng)對象從堆中加載的時候，就會使用到讀屏障（Load Barrier）。這里使用讀屏障的主要作用就是檢查指針上的三色標(biāo)記位，根據(jù)標(biāo)記位判斷出對象是否被移動過，如果沒有可以直接訪問，如果移動過就需要進(jìn)行“自愈”（對象訪問會變慢，但也只會有一次變慢），當(dāng)“自愈”完成后，后續(xù)訪問就不會變慢了。

讀寫屏障可以理解成對象訪問的“AOP”操作

ZGC運作過程

ZGC的運作過程大致可劃分為以下四個大的階段：

• 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Mark）：與G1、Shenandoah一樣，并發(fā)標(biāo)記是遍歷對象圖做可達(dá)性分析的階段，它的初始標(biāo)記和最終標(biāo)記也會出現(xiàn)短暫的停頓，整個標(biāo)記階段只會更新染色指針中的Marked 0、Marked 1標(biāo)志位。

• 并發(fā)預(yù)備重分配（Concurrent Prepare for Relocate）：這個階段需要根據(jù)特定的查詢條件統(tǒng)計得出本次收集過程要清理哪些Region，將這些Region組成重分配集（Relocation Set）。ZGC每次回收都會掃描所有的Region，用范圍更大的掃描成本換取省去G1中記憶集的維護(hù)成本。

• 并發(fā)重分配（Concurrent Relocate）：重分配是ZGC執(zhí)行過程中的核心階段，這個過程要把重分配集中的存活對象復(fù)制到新的Region上，并為重分配集中的每個Region維護(hù)一個轉(zhuǎn)發(fā)表（Forward Table），記錄從舊對象到新對象的轉(zhuǎn)向關(guān)系。ZGC收集器能僅從引用上就明確得知一個對象是否處于重分配集之中，如果用戶線程此時并發(fā)訪問了位于重分配集中的對象，這次訪問將會被預(yù)置的內(nèi)存屏障所截獲，然后立即根據(jù)Region上的轉(zhuǎn)發(fā)表記錄將訪問轉(zhuǎn)發(fā)到新復(fù)制的對象上，并同時修正更新該引用的值，使其直接指向新對象，ZGC將這種行為稱為指針的“自愈”（Self-Healing）能力。

ZGC的染色指針因為“自愈”（Self-Healing）能力，所以只有第一次訪問舊對象會變慢，而Shenandoah的Brooks轉(zhuǎn)發(fā)指針是每次都會變慢。一旦重分配集中某個Region的存活對象都復(fù)制完畢后，這個Region就可以立即釋放用于新對象的分配，但是轉(zhuǎn)發(fā)表還得留著不能釋放掉，因為可能還有訪問在使用這個轉(zhuǎn)發(fā)表。

• 并發(fā)重映射（Concurrent Remap）：重映射所做的就是修正整個堆中指向重分配集中舊對象的所有引用，但是ZGC中對象引用存在“自愈”功能，所以這個重映射操作并不是很迫切。ZGC很巧妙地把并發(fā)重映射階段要做的工作，合并到了下一次垃圾收集循環(huán)中的并發(fā)標(biāo)記階段里去完成，反正它們都是要遍歷所有對象的，這樣合并就節(jié)省了一次遍歷對象圖的開銷。

ZGC存在的問題

ZGC最大的問題是浮動垃圾。

浮動垃圾

ZGC的停頓時間是在10ms以下，但是ZGC的執(zhí)行時間還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個時間的。假如ZGC全過程需要執(zhí)行10分鐘，在這個期間由于對象分配速率很高，將創(chuàng)建大量的新對象，這些對象很難進(jìn)入當(dāng)次GC，所以只能在下次GC的時候進(jìn)行回收，這些只能等到下次GC才能回收的對象就是浮動垃圾。

ZGC沒有分代概念，每次都需要進(jìn)行全堆掃描，導(dǎo)致一些“朝生夕死”的對象沒能及時的被回收。

解決方案

目前唯一的辦法是增大堆的容量，使得程序得到更多的喘息時間，但是這個也是一個治標(biāo)不治本的方案。如果需要從根本上解決這個問題，還是需要引入分代收集，讓新生對象都在一個專門的區(qū)域中創(chuàng)建，然后專門針對這個區(qū)域進(jìn)行更頻繁、更快的收集。

官方測試數(shù)據(jù)

停頓時間

在ZGC的停頓時間測試上，和其他收集器相比完全不在一個數(shù)量級，如圖：

吞吐量

ZGC的“弱項”吞吐量方面，以低延遲為首要目標(biāo)的ZGC已經(jīng)達(dá)到了以高吞吐量為目標(biāo)Parallel Scavenge的99%，直接超越了G1，如圖：

優(yōu)缺點

• 優(yōu)點：低停頓，高吞吐量，ZGC收集過程中額外耗費的內(nèi)存小

• 缺點：浮動垃圾

參考

《深入理解JAVA虛擬機》

作者：xiaolyuh

來源：my.oschina.net/xiaolyuh/blog/3157993