文章首發(fā)于公眾號《程序員果果》

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一、簡介

Java 11包含一個全新的垃圾收集器--ZGC，它由Oracle開發(fā)，承諾在數(shù)TB的堆上具有非常低的暫停時間。 在本文中，我們將介紹開發(fā)新GC的動機，技術(shù)概述以及由ZGC開啟的一些可能性。

那么為什么需要新GC呢？畢竟Java 10已經(jīng)有四種發(fā)布多年的垃圾收集器，并且?guī)缀醵际菬o限可調(diào)的。 換個角度看，G1是2006年時引入Hotspot VM的。當(dāng)時大的AWS實例有1 vCPU和1.7GB內(nèi)存，而今天AWS很樂意租給你一個x1e.32xlarge實例，該類型實例有128個vCPU和3,904GB內(nèi)存。 ZGC的設(shè)計目標(biāo)是：支持TB級內(nèi)存容量，暫停時間低（<10ms），對整個程序吞吐量的影響小于15%。 將來還可以擴展實現(xiàn)機制，以支持不少令人興奮的功能，例如多層堆（即熱對象置于DRAM和冷對象置于NVMe閃存），或壓縮堆。

二、GC術(shù)語

為了理解ZGC如何匹配現(xiàn)有收集器，以及如何實現(xiàn)新GC，我們需要先了解一些術(shù)語。最基本的垃圾收集涉及識別不再使用的內(nèi)存并使其可重用?，F(xiàn)代收集器在幾個階段進行這一過程，對于這些階段我們往往有如下描述：

• 并行：在JVM運行時，同時存在應(yīng)用程序線程和垃圾收集器線程。 并行階段是由多個gc線程執(zhí)行，即gc工作在它們之間分配。 不涉及GC線程是否需要暫停應(yīng)用程序線程。

• 串行：串行階段僅在單個gc線程上執(zhí)行。與之前一樣，它也沒有說明GC線程是否需要暫停應(yīng)用程序線程。

• STW：STW階段，應(yīng)用程序線程被暫停，以便gc執(zhí)行其工作。 當(dāng)應(yīng)用程序因為GC暫停時，這通常是由于Stop The World階段。

• 并發(fā)：如果一個階段是并發(fā)的，那么GC線程可以和應(yīng)用程序線程同時進行。 并發(fā)階段很復(fù)雜，因為它們需要在階段完成之前處理可能使工作無效。

• 增量：如果一個階段是增量的，那么它可以運行一段時間之后由于某些條件提前終止，例如需要執(zhí)行更高優(yōu)先級的gc階段，同時仍然完成生產(chǎn)性工作。 增量階段與需要完全完成的階段形成鮮明對比。

三、工作原理

現(xiàn)在我們了解了不同gc階段的屬性，讓我們繼續(xù)探討ZGC的工作原理。 為了實現(xiàn)其目標(biāo)，ZGC給Hotspot Garbage Collectors增加了兩種新技術(shù)：著色指針和讀屏障。

著色指針

著色指針是一種將信息存儲在指針（或使用Java術(shù)語引用）中的技術(shù)。因為在64位平臺上（ZGC僅支持64位平臺），指針可以處理更多的內(nèi)存，因此可以使用一些位來存儲狀態(tài)。 ZGC將限制大支持4Tb堆（42-bits），那么會剩下22位可用，它目前使用了4位： finalizable， remap， mark0和mark1。 我們稍后解釋它們的用途。

著色指針的一個問題是，當(dāng)您需要取消著色時，它需要額外的工作（因為需要屏蔽信息位）。 像SPARC這樣的平臺有內(nèi)置硬件支持指針屏蔽所以不是問題，而對于x86平臺來說，ZGC團隊使用了簡潔的多重映射技巧。

多重映射

要了解多重映射的工作原理，我們需要簡要解釋虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存之間的區(qū)別。 物理內(nèi)存是系統(tǒng)可用的實際內(nèi)存，通常是安裝的DRAM芯片的容量。 虛擬內(nèi)存是抽象的，這意味著應(yīng)用程序?qū)ΓㄍǔＪ歉綦x的）物理內(nèi)存有自己的視圖。 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)維護虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存范圍之間的映射，它通過使用頁表和處理器的內(nèi)存管理單元（MMU）和轉(zhuǎn)換查找緩沖器（TLB）來實現(xiàn)這一點，后者轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序請求的地址。

多重映射涉及將不同范圍的虛擬內(nèi)存映射到同一物理內(nèi)存。 由于設(shè)計中只有一個remap，mark0和mark1在任何時間點都可以為1，因此可以使用三個映射來完成此操作。 ZGC源代碼中有一個很好的圖表可以說明這一點。

讀屏障

讀屏障是每當(dāng)應(yīng)用程序線程從堆加載引用時運行的代碼片段（即訪問對象上的非原生字段non-primitive field）：

void printName( Person person ) {
    String name = person.name;  // 這里觸發(fā)讀屏障
                                // 因為需要從heap讀取引用 
                                // 
    System.out.println(name);   // 這里沒有直接觸發(fā)讀屏障
}

在上面的代碼中，String name = person.name 訪問了堆上的person引用，然后將引用加載到本地的name變量。此時觸發(fā)讀屏障。 Systemt.out那行不會直接觸發(fā)讀屏障，因為沒有來自堆的引用加載（name是局部變量，因此沒有從堆加載引用）。 但是System和out，或者println內(nèi)部可能會觸發(fā)其他讀屏障。

這與其他GC使用的寫屏障形成對比，例如G1。讀屏障的工作是檢查引用的狀態(tài)，并在將引用（或者甚至是不同的引用）返回給應(yīng)用程序之前執(zhí)行一些工作。 在ZGC中，它通過測試加載的引用來執(zhí)行此任務(wù)，以查看是否設(shè)置了某些位。 如果通過了測試，則不執(zhí)行任何其他工作，如果失敗，則在將引用返回給應(yīng)用程序之前執(zhí)行某些特定于階段的任務(wù)。

標(biāo)記

現(xiàn)在我們了解了這兩種新技術(shù)是什么，讓我們來看看ZG的GC循環(huán)。

GC循環(huán)的第一部分是標(biāo)記。標(biāo)記包括查找和標(biāo)記運行中的應(yīng)用程序可以訪問的所有堆對象，換句話說，查找不是垃圾的對象。

ZGC的標(biāo)記分為三個階段。 第一階段是STW，其中GC roots被標(biāo)記為活對象。 GC roots類似于局部變量，通過它可以訪問堆上其他對象。 如果一個對象不能通過遍歷從roots開始的對象圖來訪問，那么應(yīng)用程序也就無法訪問它，則該對象被認(rèn)為是垃圾。從roots訪問的對象集合稱為Live集。GC roots標(biāo)記步驟非常短，因為roots的總數(shù)通常比較小。

該階段完成后，應(yīng)用程序恢復(fù)執(zhí)行，ZGC開始下一階段，該階段同時遍歷對象圖并標(biāo)記所有可訪問的對象。 在此階段期間，讀屏障針使用掩碼測試所有已加載的引用，該掩碼確定它們是否已標(biāo)記或尚未標(biāo)記，如果尚未標(biāo)記引用，則將其添加到隊列以進行標(biāo)記。

在遍歷完成之后，有一個最終的，時間很短的的Stop The World階段，這個階段處理一些邊緣情況（我們現(xiàn)在將它忽略），該階段完成之后標(biāo)記階段就完成了。

重定位

GC循環(huán)的下一個主要部分是重定位。重定位涉及移動活動對象以釋放部分堆內(nèi)存。 為什么要移動對象而不是填補空隙？ 有些GC實際是這樣做的，但是它導(dǎo)致了一個不幸的后果，即分配內(nèi)存變得更加昂貴，因為當(dāng)需要分配內(nèi)存時，內(nèi)存分配器需要找到可以放置對象的空閑空間。 相比之下，如果可以釋放大塊內(nèi)存，那么分配內(nèi)存就很簡單，只需要將指針遞增新對象所需的內(nèi)存大小即可。

ZGC將堆分成許多頁面，在此階段開始時，它同時選擇一組需要重定位活動對象的頁面。選擇重定位集后，會出現(xiàn)一個Stop The World暫停，其中ZGC重定位該集合中root對象，并將他們的引用映射到新位置。與之前的Stop The World步驟一樣，此處涉及的暫停時間僅取決于root的數(shù)量以及重定位集的大小與對象的總活動集的比率，這通常相當(dāng)小。所以不像很多收集器那樣，暫停時間隨堆增加而增加。

移動root后，下一階段是并發(fā)重定位。 在此階段，GC線程遍歷重定位集并重新定位其包含的頁中所有對象。 如果應(yīng)用程序線程試圖在GC重新定位對象之前加載它們，那么應(yīng)用程序線程也可以重定位該對象，這可以通過讀屏障（在從堆加載引用時觸發(fā)）實現(xiàn)，如流程圖如下所示：

這可確保應(yīng)用程序看到的所有引用都已更新，并且應(yīng)用程序不可能同時對重定位的對象進行操作。

GC線程最終將對重定位集中的所有對象重定位，然而可能仍有引用指向這些對象的舊位置。 GC可以遍歷對象圖并重新映射這些引用到新位置，但是這一步代價很高昂。 因此這一步與下一個標(biāo)記階段合并在一起。在下一個GC周期的標(biāo)記階段遍歷對象對象圖的時候，如果發(fā)現(xiàn)未重映射的引用，則將其重新映射，然后標(biāo)記為活動狀態(tài)。

概括

試圖單獨理解復(fù)雜垃圾收集器（如ZGC）的性能特征是很困難的，但從前面的部分可以清楚地看出，我們所碰到的幾乎所有暫停都只依賴于GC roots集合大小，而不是實時堆大小。標(biāo)記階段中處理標(biāo)記終止的最后一次暫停是唯一的例外，但是它是增量的，如果超過gc時間預(yù)算，那么GC將恢復(fù)到并發(fā)標(biāo)記，直到再次嘗試。

三、性能

那ZGC到底表現(xiàn)如何？

Stefan Karlsson和Per Liden在今年早些時候的Jfokus演講中給出了一些數(shù)字。 ZGC的SPECjbb 2015吞吐量與Parallel GC（優(yōu)化吞吐量）大致相當(dāng)，但平均暫停時間為1ms，最長為4ms。 與之相比G1和Parallel有很多次超過200ms的GC停頓。

然而，垃圾收集器是復(fù)雜的軟件，從基準(zhǔn)測試結(jié)果可能無法推測出真實世界的性能。我們期待自己測試ZGC，以了解它的性能如何因工作負(fù)載而異。

本文參考：https://mp.weixin.qq.com/s/nAjPKSj6rqB_eaqWtoJsgw

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