ZGC工作原理是什么，ZGC垃圾收集器详解

ZGC工作原理是什么，ZGC垃圾收集器详解

ZGC全称Z Garbage Collector，在 jdk11中引入的一种可扩展的低延迟垃圾收集器，在 jdk15中发布稳定版。在旨在满足以下目标：

• < 1ms 最大暂停时间(jdk < 16 是 10ms，jdk >=16 是<1ms )。

• 暂停时间不会随着堆、live-set 或 root-set 的大小而增加。

• 使用内存大小从 8MB 到16TB 地堆。

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 的核心是一个并发垃圾收集器，这意味着所有繁重的工作都在Java 线程继续执行的同时完成。这极大地限制了垃圾收集对应用程序响应时间的影响。

ZGC 特征

ZGC 收集器是一款基于 Region 内存布局的，(暂时) 不设分代的，使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-整理算法的，以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。

内存布局

ZGC 没有分代的概念

ZGC 的内存布局说起。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 (动态创建和销毁 ， 以及动态的区域容量大小)。在 x64硬件平台下 ， ZGC 的 Region 可以具有大、中、小三类容量(如下图所示):

• 小型 Region (Small Region )： 容量固定为 2M， 存放小于 256K 的对象。

• 中兴 Region (Medium Region)： 容量固定为 32M，放置大于等于256K但小于4M的对象。

• 大型 Region (Large Region): 容量不固定，可以动态变化，但必须为2MB 的整数倍，用于放置 4MB或以上的大对象。

NUMA-aware

NUMA 对应的有 NMA 、UMA 即 Uniform Memory Access Architecture， NUMA 就是 Non Uniform Memory Access Architecture. UMA 表示内存只有一块，所有的 CUU 都要去访问这些内存，那么会存在竞争问题(竞争内存总线访问权)，有竞争就要去加锁，有锁效率就会受到影响，而且 CPU 核心数越多，竞争就越激烈。NUMA 的话每个 CPU 对应有一个内存块，且这块内存在主板上离这个 CPU 是最近的，每个 CPU 优先访问这块内存，那效率就自然提高了。

服务器的 NUMA 架构在中大型系统上非常流行，也就是高性能的解决方案，尤其在系统延迟方面表现非常优秀，ZGC 是能自动感知 NUMA 架构并且充分利用 NUMA 架构的特征。

染色指针(Colored Pointer)

Colored Pointer， 即染色指针，如图所示， ZGC 的核心设计之一。以前的垃圾收集器的 GC 信息都保存在对象口中，而 ZGC 的 GC 信息保存在指针中(直接把标记信息记录在对象的引用指针上)。

每个对象有一个64位指针，这64位被分为：

• 18位：预留给以后使用。

• 1位：Finalizable标识，此位与并发引用处理有关，它表示这个对象只能通过finalizer才能访问(finalizer:object基类的一个空方法，如果被重写则会在GC之前调用该方法，该方法会且只会被调用一次)。

• 1位：Remapped 标识，设置此位的值后，对象未指向relocation set中(relocation set表示需要GC的Region集合)。

• 1位：Marked1标识。

• 1位：Marked0标识，和上面的Marked1都是标记对象用于辅助GC。

• 42位：对象的地址(所以它可以支持2^42=4T内存)：

为什么会有两个 mark 标记?

每一个GC周期开始时，会交换使用的标记位，使上次GC周期中修正的已标记状态失效，所有引用都变成未标记。GC周期1：使用mark0, 则周期结束所有引用mark标记都会成为 01。GC周期2：使用mark1, 与周期1相同，所有的mark标记都会成为 10。

ZGC不能做指针压缩?

指针压缩指的是压缩为32位，寻址位数不能超过35，也就是JVM内存最大为32G(2^35=32GB)，这里的寻址位数已经达到了42位。

颜色指针的三大优势?

1. 在一个Region中的所有存活对象都被移走后(复制走后)，这个Region就可以被立即释放掉，因为它还有转发表记录着原始地址和新地址，这样的话，理论上，只要还有一个Region对象空闲，ZGC就能完成垃圾收集。

2. 颜色指针有指针的“自愈”(Self-Healing)能力，这样子就减少了写屏障(例如三色标记中的增量更新或原始快照)，只需要一个读屏障就可以解决问题，减少了内存屏障的使用数量。

3. 颜色指针有着极大的扩展性，因为还有18位未使用，这样更有利于后续功能的扩展。

多重映射寻址

不同的虚拟机内存到物理内存的转换关系可以在硬件层面，操作系统层面或者软件层面来实现。在 Linux 平台上 ZGC 采用了多重映射(Mult-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，着是一种多对一映射，一位着 ZGC 在虚拟内中看到的地址空间要比时机的堆内存容量来得更大。把染色指针中的标志位看作是地址分段符，那只要将这些不同的地址分段符都映射到同一个福利内空间，经过多重映射转换后，就可以直接使用染色指针进行寻址了，如下图所示：

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