JDK11 | 第七篇 : ZGC 垃圾收集器

1、简介

Java 11包含一个全新的垃圾收集器--ZGC，它由Oracle开发，承诺在数TB的堆上具备很是低的暂停时间。 在本文中，咱们将介绍开发新GC的动机，技术概述以及由ZGC开启的一些可能性。

那么为何须要新GC呢？毕竟Java 10已经有四种发布多年的垃圾收集器，而且几乎都是无限可调的。 换个角度看，G1是2006年时引入Hotspot VM的。当时最大的AWS实例有1 vCPU和1.7GB内存，而今天AWS很乐意租给你一个x1e.32xlarge实例，该类型实例有128个vCPU和3,904GB内存。 ZGC的设计目标是：支持TB级内存容量，暂停时间低（<10ms），对整个程序吞吐量的影响小于15%。 未来还能够扩展实现机制，以支持很多使人兴奋的功能，例如多层堆（即热对象置于DRAM和冷对象置于NVMe闪存），或压缩堆。

2、GC术语

为了理解ZGC如何匹配现有收集器，以及如何实现新GC，咱们须要先了解一些术语。最基本的垃圾收集涉及识别再也不使用的内存并使其可重用。现代收集器在几个阶段进行这一过程，对于这些阶段咱们每每有以下描述：

• 并行：在JVM运行时，同时存在应用程序线程和垃圾收集器线程。 并行阶段是由多个gc线程执行，即gc工做在它们之间分配。 不涉及GC线程是否须要暂停应用程序线程。

• 串行：串行阶段仅在单个gc线程上执行。与以前同样，它也没有说明GC线程是否须要暂停应用程序线程。

• STW：STW阶段，应用程序线程被暂停，以便gc执行其工做。 当应用程序由于GC暂停时，这一般是因为Stop The World阶段。

• 并发：若是一个阶段是并发的，那么GC线程能够和应用程序线程同时进行。 并发阶段很复杂，由于它们须要在阶段完成以前处理可能使工做无效。

• 增量：若是一个阶段是增量的，那么它能够运行一段时间以后因为某些条件提早终止，例如须要执行更高优先级的gc阶段，同时仍然完成生产性工做。 增量阶段与须要彻底完成的阶段造成鲜明对比。

3、工做原理

如今咱们了解了不一样gc阶段的属性，让咱们继续探讨ZGC的工做原理。 为了实现其目标，ZGC给Hotspot Garbage Collectors增长了两种新技术：着色指针和读屏障。

着色指针

着色指针是一种将信息存储在指针（或使用Java术语引用）中的技术。由于在64位平台上（ZGC仅支持64位平台），指针能够处理更多的内存，所以可使用一些位来存储状态。 ZGC将限制最大支持4Tb堆（42-bits），那么会剩下22位可用，它目前使用了4位： finalizable， remap， mark0和mark1。 咱们稍后解释它们的用途。

着色指针的一个问题是，当您须要取消着色时，它须要额外的工做（由于须要屏蔽信息位）。 像SPARC这样的平台有内置硬件支持指针屏蔽因此不是问题，而对于x86平台来讲，ZGC团队使用了简洁的多重映射技巧。

多重映射

要了解多重映射的工做原理，咱们须要简要解释虚拟内存和物理内存之间的区别。 物理内存是系统可用的实际内存，一般是安装的DRAM芯片的容量。 虚拟内存是抽象的，这意味着应用程序对（一般是隔离的）物理内存有本身的视图。 操做系统负责维护虚拟内存和物理内存范围之间的映射，它经过使用页表和处理器的内存管理单元（MMU）和转换查找缓冲器（TLB）来实现这一点，后者转换应用程序请求的地址。

多重映射涉及将不一样范围的虚拟内存映射到同一物理内存。 因为设计中只有一个remap，mark0和mark1在任什么时候间点均可觉得1，所以可使用三个映射来完成此操做。 ZGC源代码中有一个很好的图表能够说明这一点。

读屏障

读屏障是每当应用程序线程从堆加载引用时运行的代码片断（即访问对象上的非原生字段non-primitive field）：

void printName( Person person ) {
    String name = person.name;  // 这里触发读屏障
                                // 由于须要从heap读取引用 
                                // 
    System.out.println(name);   // 这里没有直接触发读屏障
}

在上面的代码中，String name = person.name 访问了堆上的person引用，而后将引用加载到本地的name变量。此时触发读屏障。 Systemt.out那行不会直接触发读屏障，由于没有来自堆的引用加载（name是局部变量，所以没有从堆加载引用）。 可是System和out，或者println内部可能会触发其余读屏障。

这与其余GC使用的写屏障造成对比，例如G1。读屏障的工做是检查引用的状态，并在将引用（或者甚至是不一样的引用）返回给应用程序以前执行一些工做。 在ZGC中，它经过测试加载的引用来执行此任务，以查看是否设置了某些位。 若是经过了测试，则不执行任何其余工做，若是失败，则在将引用返回给应用程序以前执行某些特定于阶段的任务。

标记

如今咱们了解了这两种新技术是什么，让咱们来看看ZG的GC循环。

GC循环的第一部分是标记。标记包括查找和标记运行中的应用程序能够访问的全部堆对象，换句话说，查找不是垃圾的对象。

ZGC的标记分为三个阶段。 第一阶段是STW，其中GC roots被标记为活对象。 GC roots相似于局部变量，经过它能够访问堆上其余对象。 若是一个对象不能经过遍历从roots开始的对象图来访问，那么应用程序也就没法访问它，则该对象被认为是垃圾。从roots访问的对象集合称为Live集。GC roots标记步骤很是短，由于roots的总数一般比较小。

该阶段完成后，应用程序恢复执行，ZGC开始下一阶段，该阶段同时遍历对象图并标记全部可访问的对象。 在此阶段期间，读屏障针使用掩码测试全部已加载的引用，该掩码肯定它们是否已标记或还没有标记，若是还没有标记引用，则将其添加到队列以进行标记。

在遍历完成以后，有一个最终的，时间很短的的Stop The World阶段，这个阶段处理一些边缘状况（咱们如今将它忽略），该阶段完成以后标记阶段就完成了。

重定位

GC循环的下一个主要部分是重定位。重定位涉及移动活动对象以释放部分堆内存。 为何要移动对象而不是填补空隙？ 有些GC实际是这样作的，可是它致使了一个不幸的后果，即分配内存变得更加昂贵，由于当须要分配内存时，内存分配器须要找到能够放置对象的空闲空间。 相比之下，若是能够释放大块内存，那么分配内存就很简单，只须要将指针递增新对象所需的内存大小便可。

ZGC将堆分红许多页面，在此阶段开始时，它同时选择一组须要重定位活动对象的页面。选择重定位集后，会出现一个Stop The World暂停，其中ZGC重定位该集合中root对象，并将他们的引用映射到新位置。与以前的Stop The World步骤同样，此处涉及的暂停时间仅取决于root的数量以及重定位集的大小与对象的总活动集的比率，这一般至关小。因此不像不少收集器那样，暂停时间随堆增长而增长。

移动root后，下一阶段是并发重定位。 在此阶段，GC线程遍历重定位集并从新定位其包含的页中全部对象。 若是应用程序线程试图在GC从新定位对象以前加载它们，那么应用程序线程也能够重定位该对象，这能够经过读屏障（在从堆加载引用时触发）实现，如流程图以下所示：

这可确保应用程序看到的全部引用都已更新，而且应用程序不可能同时对重定位的对象进行操做。

GC线程最终将对重定位集中的全部对象重定位，然而可能仍有引用指向这些对象的旧位置。 GC能够遍历对象图并从新映射这些引用到新位置，可是这一步代价很高昂。 所以这一步与下一个标记阶段合并在一块儿。在下一个GC周期的标记阶段遍历对象对象图的时候，若是发现未重映射的引用，则将其从新映射，而后标记为活动状态。

归纳

试图单独理解复杂垃圾收集器（如ZGC）的性能特征是很困难的，但从前面的部分能够清楚地看出，咱们所碰到的几乎全部暂停都只依赖于GC roots集合大小，而不是实时堆大小。标记阶段中处理标记终止的最后一次暂停是惟一的例外，可是它是增量的，若是超过gc时间预算，那么GC将恢复到并发标记，直到再次尝试。

3、性能

那ZGC到底表现如何？

Stefan Karlsson和Per Liden在今年早些时候的Jfokus演讲中给出了一些数字。 ZGC的SPECjbb 2015吞吐量与Parallel GC（优化吞吐量）大体至关，但平均暂停时间为1ms，最长为4ms。 与之相比G1和Parallel有不少次超过200ms的GC停顿。

然而，垃圾收集器是复杂的软件，从基准测试结果可能没法推测出真实世界的性能。咱们期待本身测试ZGC，以了解它的性能如何因工做负载而异。

本文参考：https://mp.weixin.qq.com/s/nAjPKSj6rqB_eaqWtoJsgw

欢迎扫码或微信搜索公众号《程序员果果》关注我，关注有惊喜~