Java ZGC垃圾收集器(算法及回收原理详解)

ZGC作为Java推出的新一代的JVM垃圾收集器，是一款非常优秀的垃圾收集器，下面我会全面详解ZGC@mikechen

什么是ZGC？

ZGC也称为（The Z Garbage Collector），是JDK 11中推出的一款追求极致低延迟的性质的JVM垃圾收集器。

ZGC是最近由Oracle为OpenJDK开源的新JVM垃圾收集器，旨在满足以下目标：

1. 停顿时间(STW)不超过10ms
2. 停顿时间不会随着堆的大小，或者活跃对象的大小而增加
3. 支持8MB~4TB级别的堆，未来支持16TB

 

ZGC的特征

• ZGC 具有以下特征：
• 并发
• 基于 region
• 压缩
• NUMA 感知
• 使用彩色指针
• 使用负载屏障

 

ZGC的原理

1.ZGC内存布局

讲到ZGC的原理，先从ZGC 的内存布局谈起。

与 Shenandoah 和 G1一样，ZGC 也采用基于 Region 的堆内存布局，但与它们不同的是 ， ZGC 的 Region 具 有 动 态 性 ：

• 动态创建
• 动态销毁
• 以及动态的区域容量大小

ZGC 的 Region 可以具有大、中、小三类容量，如下图所示:

• Small Region：2MB，主要用于放置小于 256 KB 的小对象。
• Medium Region：32MB，主要用于放置大于等于 256 KB 小于 4 MB 的对象。
• Large Region：N * 2MB,这个类型的 Region 是可以动态变化的，不过必须是 2MB 的整数倍，最小支持 4 MB。每个 Large Region 只放置一个大对象，并且是不会被重分配的。

 

2.ZGC的垃圾回收机制

与CMS中的ParNew和G1类似，ZGC也采用标记-复制算法，不过ZGC对该算法做了重大改进。

ZGC在标记、转移和重定位阶段几乎都是并发的，这是ZGC实现停顿时间小于10ms目标的最关键原因。

ZGC垃圾回收周期如下图所示：

ZGC只有三个STW阶段：初始标记，再标记，初始转移。

其中，初始标记和初始转移分别都只需要扫描所有GC Roots，其处理时间和GC Roots的数量成正比，一般情况耗时非常短，再标记阶段STW时间很短，最多1ms，超过1ms则再次进入并发标记阶段。

ZGC几乎所有暂停都只依赖于GC Roots集合大小，停顿时间不会随着堆的大小或者活跃对象的大小而增加，与ZGC对比，G1的转移阶段完全STW的，且停顿时间随存活对象的大小增加而增加。

 

3.染色指针

ZGC 出现之前， GC 信息保存在对象头的 Mark Word 中，比如 64 位的 JVM，对象头的 Mark Word 中保存的信息如下图：

前 62位保存了 GC 信息，最后两位保存了锁标志。

ZGC 的一大创举是将 GC 信息保存在了染色指针上，是ZGC 的核心设计之一。

在 64 位 JVM 中，对象指针是 64 位，如下图：

 

4.多重映射寻址

ZGC中管理物理内存的基本单位是segment,segment默认与small page size一样，都是2MB。

引入segment是为了避免频繁的申请和释放内存的系统调用，一次申请2MB，当segment空闲时，将加入空闲列表，等待之后重复使用。

ZGC为了能高效、灵活地管理内存，实现了两级内存管理：虚拟内存和物理内存，并且实现了物理内存和虚拟内存的映射关系，这和操作系统中虚拟地址和物理地址设计思路基本一致。

本质就是使用 mmap 把不同的虚拟内存地址映射到同一个物理内存地址上，如下图：

当应用程序创建对象时，首先在堆空间申请一个虚拟地址，ZGC同时会为该对象在Marked0、Marked1和Remapped三个视图空间分别申请一个虚拟地址，且这三个虚拟地址对应同一个物理地址，如下图所示：

ZGC 为了更灵活高效地管理内存，使用了内存多重映射，把同一块儿物理内存映射为 Marked0、Marked1 和 Remapped 三个虚拟内存。

当应用程序创建对象时，会在堆上申请一个虚拟地址，这时 ZGC 会为这个对象在 Marked0、Marked1 和 Remapped 这三个视图空间分别申请一个虚拟地址，这三个虚拟地址映射到同一个物理地址。

Marked0、Marked1 和 Remapped 这三个虚拟内存作为 ZGC 的三个视图空间，在同一个时间点内只能有一个有效。ZGC 就是通过这三个视图空间的切换，来完成并发的垃圾回收。

 

5.读屏障

读屏障也是是ZGC 的核心设计之一，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。

读屏障示例：

ZGC中读屏障的代码作用：在对象标记和转移过程中，用于确定对象的引用地址是否满足条件，并作出相应动作。

ZGC并发处理演示

接下来详细介绍ZGC一次垃圾回收周期中地址视图的切换过程：

• 初始化：ZGC初始化之后，整个内存空间的地址视图被设置为Remapped。程序正常运行，在内存中分配对象，满足一定条件后垃圾回收启动，此时进入标记阶段。
• 并发标记阶段：第一次进入标记阶段时视图为M0，如果对象被GC标记线程或者应用线程访问过，那么就将对象的地址视图从Remapped调整为M0。所以，在标记阶段结束之后，对象的地址要么是M0视图，要么是Remapped。如果对象的地址是M0视图，那么说明对象是活跃的；如果对象的地址是Remapped视图，说明对象是不活跃的。
• 并发转移阶段：标记结束后就进入转移阶段，此时地址视图再次被设置为Remapped。如果对象被GC转移线程或者应用线程访问过，那么就将对象的地址视图从M0调整为Remapped。

其实，在标记阶段存在两个地址视图M0和M1，上面的过程显示只用了一个地址视图。

之所以设计成两个，是为了区别前一次标记和当前标记。即第二次进入并发标记阶段后，地址视图调整为M1，而非M0。

着色指针和读屏障技术不仅应用在并发转移阶段，还应用在并发标记阶段：将对象设置为已标记，传统的垃圾回收器需要进行一次内存访问，并将对象存活信息放在对象头中，而在ZGC中，只需要设置指针地址的第42~45位即可，并且因为是寄存器访问，所以速度比访问内存更快。

ZGC总结

陈睿mikechen

10年+大厂架构经验，资深技术专家，就职于阿里巴巴、淘宝、百度等一线互联网大厂。

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