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作者：CoderW

來源：SegmentFault 思否社區(qū)

ZGC介紹

ZGC（The Z Garbage Collector）是JDK 11中推出的一款追求極致低延遲的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的垃圾收集器，它曾經(jīng)設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：

停頓時(shí)間不超過10ms；
停頓時(shí)間不會(huì)隨著堆的大小，或者活躍對(duì)象的大小而增加；
支持8MB~4TB級(jí)別的堆（未來支持16TB）。

當(dāng)初，提出這個(gè)目標(biāo)的時(shí)候，有很多人都覺得設(shè)計(jì)者在吹牛逼。

但今天看來，這些“吹下的牛逼”都在一個(gè)個(gè)被實(shí)現(xiàn)。

基于最新的JDK15來看，“停頓時(shí)間不超過10ms”和“支持16TB的堆”這兩個(gè)目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且官方明確指出JDK15中的ZGC不再是實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的垃圾收集器，且建議投入生產(chǎn)了。

ZGC已經(jīng)熟了，面試題還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

本文會(huì)從ZGC的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，講清楚為何ZGC能在低延時(shí)場景中的應(yīng)用中有著如此卓越的表現(xiàn)。

核心技術(shù)

多重映射

為了能更好的理解ZGC的內(nèi)存管理，我們先看一下這個(gè)例子：

你在你爸爸媽媽眼中是兒子，在你女朋友眼中是男朋友。在全世界人面前就是最帥的人。你還有一個(gè)名字，但名字也只是你的一個(gè)代號(hào)，并不是你本人。將這個(gè)關(guān)系畫一張映射圖表示：

在你爸爸的眼中，你就是兒子；
在你女朋友的眼中，你就說男朋友；
站在全世界角度來看，你就說世界上最帥的人；

假如你的名字是全世界唯一的，通過“你的名字”、“你爸爸的兒子”、“你女朋友的男朋友”，“世界上最帥的人”最后定位到的都是你本人。

現(xiàn)在我們?cè)賮砜纯碯GC的內(nèi)存管理。

ZGC為了能高效、靈活地管理內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)內(nèi)存管理：虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存，并且實(shí)現(xiàn)了物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存的映射關(guān)系。這和操作系統(tǒng)中虛擬地址和物理地址設(shè)計(jì)思路基本一致。

當(dāng)應(yīng)用程序創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，首先在堆空間申請(qǐng)一個(gè)虛擬地址，ZGC同時(shí)會(huì)為該對(duì)象在Marked0、Marked1和Remapped三個(gè)視圖空間分別申請(qǐng)一個(gè)虛擬地址，且這三個(gè)虛擬地址對(duì)應(yīng)同一個(gè)物理地址。

圖中的Marked0、Marked1和Remapped三個(gè)視圖是什么意思呢？

對(duì)照上面的例子，這三個(gè)視圖分別對(duì)應(yīng)的就是"你爸爸眼中"，“你女朋友的眼中”，“全世界人眼中”。

而三個(gè)視圖里面的地址，都是虛擬地址，對(duì)應(yīng)的是“你爸爸眼中的兒子”，“你女朋友眼中的男朋友”......

最后，這些虛地址都能映射到同一個(gè)物理地址，這個(gè)物理地址對(duì)應(yīng)上面例子中的“你本人”。

用一段簡單的Java代碼表示這種關(guān)系：

在ZGC中這三個(gè)空間在同一時(shí)間點(diǎn)有且僅有一個(gè)空間有效。

為什么這么設(shè)計(jì)呢？這就是ZGC的高明之處，利用虛擬空間換時(shí)間，這三個(gè)空間的切換是由垃圾回收的不同階段觸發(fā)的，通過限定三個(gè)空間在同一時(shí)間點(diǎn)有且僅有一個(gè)空間有效高效的完成GC過程的并發(fā)操作，具體實(shí)現(xiàn)會(huì)在后面講ZGC并發(fā)處理算法的部分再詳細(xì)描述。

染色指針

在講ZGC并發(fā)處理算法之前，還需要補(bǔ)充一個(gè)知識(shí)點(diǎn)——染色指針。

我們都知道，之前的垃圾收集器都是把GC信息（標(biāo)記信息、GC分代年齡..）存在對(duì)象頭的Mark Word里。舉個(gè)例子：

如果某個(gè)人是個(gè)垃圾人，就在這個(gè)人的頭上蓋一個(gè)“垃圾”的章；如果這個(gè)人不是垃圾了，就把這個(gè)人頭上的“垃圾”印章洗掉。

而ZGC是這樣做的：

如果某個(gè)人是垃圾人。就在這個(gè)人的身份證信息里面標(biāo)注這個(gè)人是個(gè)垃圾，以后不管這個(gè)人在哪刷身份證，別人都知道他是個(gè)垃圾人了。也許哪一天，這個(gè)人醒悟了不再是垃圾人了，就把這個(gè)人身份證里面的“垃圾”標(biāo)志去掉。

在這例子中，“這個(gè)人”就是一個(gè)對(duì)象，而“身份證”就是指向這個(gè)對(duì)象的指針。

ZGC將信息存儲(chǔ)在指針中，這種技術(shù)有一個(gè)高大上的名字——染色指針（Colored Pointer）。

在64位的機(jī)器中，對(duì)象指針是64位的。

ZGC使用64位地址空間的第0~43位存儲(chǔ)對(duì)象地址，2^44 = 16TB，所以ZGC最大支持16TB的堆。
而第44~47位作為顏色標(biāo)志位，Marked0、Marked1和Remapped代表三個(gè)視圖標(biāo)志位，F(xiàn)inalizable表示這個(gè)對(duì)象只能通過finalizer才能訪問。
第48~63位固定為0沒有利用。

讀屏障

讀屏障是JVM向應(yīng)用代碼插入一小段代碼的技術(shù)。當(dāng)應(yīng)用線程從堆中讀取對(duì)象引用時(shí)，就會(huì)執(zhí)行這段代碼。千萬不要把這個(gè)讀屏障和Java內(nèi)存模型里面的讀屏障搞混了，兩者根本不是同一個(gè)東西，ZGC中的讀屏障更像是一種AOP技術(shù)，在字節(jié)碼層面或者編譯代碼層面給讀操作增加一個(gè)額外的處理。

讀屏障實(shí)例：

Object?o?=?obj.FieldA??????//?從堆中讀取對(duì)象引用，需要加入讀屏障

??
Object?p?=?o???????????????//?無需加入讀屏障，因?yàn)椴皇菑亩阎凶x取引用
o.dosomething()????????????//?無需加入讀屏障，因?yàn)椴皇菑亩阎凶x取引用
int?i?=??obj.FieldB????????//?無需加入讀屏障，因?yàn)椴皇菍?duì)象引用

ZGC中讀屏障的代碼作用：

GC線程和應(yīng)用線程是并發(fā)執(zhí)行的，所以存在應(yīng)用線程去A對(duì)象內(nèi)部的引用所指向的對(duì)象B的時(shí)候，這個(gè)對(duì)象B正在被GC線程移動(dòng)或者其他操作，加上讀屏障之后，應(yīng)用線程會(huì)去探測對(duì)象B是否被GC線程操作，然后等待操作完成再讀取對(duì)象，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。具體的探測和操作步驟如下：

這樣會(huì)影響程序的性能嗎？

會(huì)。據(jù)測試，最多百分之4的性能損耗。但這是ZGC并發(fā)轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)，為了降低STW，設(shè)計(jì)者認(rèn)為這點(diǎn)犧牲是可接受的。

ZGC并發(fā)處理算法

ZGC并發(fā)處理算法利用全局空間視圖的切換和對(duì)象地址視圖的切換，結(jié)合SATB算法實(shí)現(xiàn)了高效的并發(fā)。

以上所有的鋪墊，都是為了講清楚ZGC的并發(fā)處理算法，在一些博文上，都說染色指針和讀屏障是ZGC的核心，但都沒有講清楚兩者是如何在算法里面被利用的，我認(rèn)為，ZGC的并發(fā)處理算法才是ZGC的核心，染色指針和讀屏障只不過是為算法服務(wù)而已。

ZGC的并發(fā)處理算法三個(gè)階段的全局視圖切換如下：

初始化階段：ZGC初始化之后，整個(gè)內(nèi)存空間的地址視圖被設(shè)置為Remapped
標(biāo)記階段：當(dāng)進(jìn)入標(biāo)記階段時(shí)的視圖轉(zhuǎn)變?yōu)镸arked0（以下皆簡稱M0）或者M(jìn)arked1（以下皆簡稱M1）
轉(zhuǎn)移階段：從標(biāo)記階段結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)移階段時(shí)的視圖再次設(shè)置為Remapped

標(biāo)記階段

標(biāo)記階段全局視圖切換到M0視圖。因?yàn)閼?yīng)用程序和標(biāo)記線程并發(fā)執(zhí)行，那么對(duì)象的訪問可能來自標(biāo)記線程和應(yīng)用程序線程。

在標(biāo)記階段結(jié)束之后，對(duì)象的地址視圖要么是M0，要么是Remapped。

如果對(duì)象的地址視圖是M0，說明對(duì)象是活躍的；
如果對(duì)象的地址視圖是Remapped，說明對(duì)象是不活躍的，即對(duì)象所使用的內(nèi)存可以被回收。

當(dāng)標(biāo)記階段結(jié)束后，ZGC會(huì)把所有活躍對(duì)象的地址存到對(duì)象活躍信息表，活躍對(duì)象的地址視圖都是M0。

轉(zhuǎn)移階段

轉(zhuǎn)移階段切換到Remapped視圖。因?yàn)閼?yīng)用程序和轉(zhuǎn)移線程也是并發(fā)執(zhí)行，那么對(duì)象的訪問可能來自轉(zhuǎn)移線程和應(yīng)用程序線程。

至此，ZGC的一個(gè)垃圾回收周期中，并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)轉(zhuǎn)移就結(jié)束了。

為何要設(shè)計(jì)M0和M1

我們提到在標(biāo)記階段存在兩個(gè)地址視圖M0和M1，上面的算法過程顯示只用到了一個(gè)地址視圖，為什么設(shè)計(jì)成兩個(gè)？簡單地說是為了區(qū)別前一次標(biāo)記和當(dāng)前標(biāo)記。

ZGC是按照頁面進(jìn)行部分內(nèi)存垃圾回收的，也就是說當(dāng)對(duì)象所在的頁面需要回收時(shí)，頁面里面的對(duì)象需要被轉(zhuǎn)移，如果頁面不需要轉(zhuǎn)移，頁面里面的對(duì)象也就不需要轉(zhuǎn)移。

如圖，這個(gè)對(duì)象在第二次GC周期開始的時(shí)候，地址視圖還是M0。如果第二次GC的標(biāo)記階段還切到M0視圖的話，就不能區(qū)分出對(duì)象是活躍的，還是上一次垃圾回收標(biāo)記過的。這個(gè)時(shí)候，第二次GC周期的標(biāo)記階段切到M1視圖的話就可以區(qū)分了，此時(shí)這3個(gè)地址視圖代表的含義是：

M1：本次垃圾回收中識(shí)別的活躍對(duì)象。
M0：前一次垃圾回收的標(biāo)記階段被標(biāo)記過的活躍對(duì)象，對(duì)象在轉(zhuǎn)移階段未被轉(zhuǎn)移，但是在本次垃圾回收中被識(shí)別為不活躍對(duì)象。
Remapped：前一次垃圾回收的轉(zhuǎn)移階段發(fā)生轉(zhuǎn)移的對(duì)象或者是被應(yīng)用程序線程訪問的對(duì)象，但是在本次垃圾回收中被識(shí)別為不活躍對(duì)象。

現(xiàn)在，我們可以回答“使用地址視圖和染色指針有什么好處”這個(gè)問題了

使用地址視圖和染色指針可以加快標(biāo)記和轉(zhuǎn)移的速度。以前的垃圾回收器通過修改對(duì)象頭的標(biāo)記位來標(biāo)記GC信息，這是有內(nèi)存存取訪問的，而ZGC通過地址視圖和染色指針技術(shù)，無需任何對(duì)象訪問，只需要設(shè)置地址中對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位即可。這就是ZGC在標(biāo)記和轉(zhuǎn)移階段速度更快的原因。

當(dāng)GC信息不再存儲(chǔ)在對(duì)象頭上時(shí)而存在引用指針上時(shí)，當(dāng)確定一個(gè)對(duì)象已經(jīng)無用的時(shí)候，可以立即重用對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間，這是把GC信息放到對(duì)象頭所做不到的。

ZGC步驟

ZGC采用的是標(biāo)記-復(fù)制算法，標(biāo)記、轉(zhuǎn)移和重定位階段幾乎都是并發(fā)的，ZGC垃圾回收周期如下圖所示：

ZGC只有三個(gè)STW階段：初始標(biāo)記，再標(biāo)記，初始轉(zhuǎn)移。

其中，初始標(biāo)記和初始轉(zhuǎn)移分別都只需要掃描所有GC Roots，其處理時(shí)間和GC Roots的數(shù)量成正比，一般情況耗時(shí)非常短；

再標(biāo)記階段STW時(shí)間很短，最多1ms，超過1ms則再次進(jìn)入并發(fā)標(biāo)記階段。即，ZGC幾乎所有暫停都只依賴于GC Roots集合大小，停頓時(shí)間不會(huì)隨著堆的大小或者活躍對(duì)象的大小而增加。與ZGC對(duì)比，G1的轉(zhuǎn)移階段完全STW的，且停頓時(shí)間隨存活對(duì)象的大小增加而增加。

ZGC的發(fā)展

ZGC誕生于JDK11，經(jīng)過不斷的完善，JDK15中的ZGC已經(jīng)不再是實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的了。

從只支持Linux/x64，到現(xiàn)在支持多平臺(tái)；從不支持指針壓縮，到支持壓縮類指針.....

在JDK16，ZGC將支持并發(fā)線程棧掃描（Concurrent Thread Stack Scanning），根據(jù)SPECjbb2015測試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)并發(fā)線程棧掃描之后，ZGC的STW時(shí)間又能降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，停頓時(shí)間將進(jìn)入毫秒時(shí)代。

ZGC已然是一款優(yōu)秀的垃圾收集器了，它借鑒了Pauseless GC，也似乎在朝著C4 GC的方向發(fā)展——引入分代思想。

Oracle的努力，讓我們開發(fā)者看到了商用級(jí)別的GC“飛入尋常百姓家”的希望，隨著JDK的發(fā)展，我相信在未來的某一天，JVM調(diào)優(yōu)這種反人類的操作將不復(fù)存在，底層的GC會(huì)自適應(yīng)各種情況自動(dòng)優(yōu)化。

ZGC確實(shí)是Java的最前沿的技術(shù)，但在G1都沒有普及的今天，談?wù)揨GC似乎為時(shí)過早。但也許我們探討的不是ZGC，而是ZGC背后的設(shè)計(jì)思路。

希望你能有所收獲！

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Java最前沿技術(shù)——ZGC