Java垃圾收集器之ZGC剖析

ZGC诞生背景

在Java中，JVM在进行垃圾回收的时候，有一个很大的问题，就是STW(Stop The World)，即JVM要进行垃圾回收时，会暂停所有的业务线程。导致所有业务系统暂停，直接降低了用户体验；所以目前市面上所有的垃圾回收器优化方向也是朝着怎么缩短STW方向，进而提升用户体验。

垃圾回收器的发展

为了满足不同的业务需求，Java垃圾回收器的算法也在不停的迭代，对于特定的一个应用，选择其最合适的GC算法，才能更高效率的实现业务目标。尤其是近些年来伴随着各种高并发，超高并发应用的使用，要求JVM要能适应超低停顿时间，同时也带给JVM带来了应对大堆和超大堆的挑战，基于此，2018年在发布的JDK11中，加入了ZGC(A Scalable Low-Latency Garbage Collector) 垃圾回收器

ZGC介绍

ZGC(The Z Garbage Collector) 是JDK11中推出的追求低延迟的垃圾回收器，其特点包括：

• 停顿时间不超过100ms，在JDK16中已经达到了不超过1ms；
• 停顿时间不会随着堆大小或者活跃对象的增加而增加；
• 支持8MB~4TB级别的堆，JDK15已经可以支持16TB；

ZGC中的内存布局

为了细粒度的控制内存的分配，和G1一样，ZGC将内存划分成小的分区，在ZGC中成为页面(page)。所以在ZGC中是没有新生代、老年代的分代概念。

ZGC中支持3种页面，分别是小页面、中页面、大页面。其中小页面指的是2MB的页面空间，中页面指的是32MB的页面空间，大页面指的是受操作系统控制的大页面。

当对象大小小于等于256KB时，对象分配在小页面

当对象大小大于256KB小于4MB之间，对象分配在中页面

当对象大小大于4MB，对象分配在大页面

ZGC对于不同页面回收策略是不同的。也就是说，小页面优先回收，中页面和大页面则尽量不回收

ZGC核心概念

染色指针(Color Pointers)

颜色指针可以说是ZGC的核心概念。因为它在指针中借了几位来做指针染色，所以它必须要求在64位机器上才可以工作。并且因为要求64位的指针，也就不能支持压缩指针。

ZGC中低42位表示使用中的堆空间

ZGC借几位高位来做GC相关的事情(快速实现垃圾回收中的并发标记、转移和重定位等)

ZGC垃圾回收流程

一次ZGC垃圾回收流程包括两个阶段

1. 标记阶段(标记垃圾)
2. 转移阶段(对象复制或移动)

1. 初始阶段：

   在ZGC初始化之后，此时地址视图位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。

2. 初始标记：

   这个阶段需要暂停用户线程(STW)，初始标记只需要扫描所有GC Roots，其处理时间和GC Roots的数量成正比，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. 并发标记：

   这个阶段不需要暂停(没有STW)，根据初始标记找到的根对象，使用深度优先遍历对象的成员变量进行标记，来扫描剩余的所有对象，这个处理时间比较长，所以通过并发处理，业务线程与GC线程同时运行。但是这个阶段会产生漏标问题(可用过增量更新和原始快照SATB来解决)。

4. 再标记：

   这个阶段需要暂停(STW)，主要是处理并发标记中漏标的对象，通过原始快照(SATB)算法解决(G1中的解决漏标的方案)

ZGC染色指针的并发转移算法

ZGC转移阶段分为三步

• 并发转移准备(分析最有价值GC分页，该阶段无STW)
• 初始转移（转移初始标记的存活的对象，同时做对象重定位，该阶段有STW）
• 并发转移（对并发标记的存活对象做转移，该阶段无STW）；并发转移阶段因为GC线程和用户线程同时执行，所以在转移过程中借助转发表来完成对象转移。

图解ZGC垃圾回收过程

1. 初始标记

   

2. 并发标记

   

   并发标记中，用户线程和GC线程同时进行。所以这个阶段会产生浮动垃圾，即漏标。漏标可以通过增量更新和原始快照(SATB)两种方式去解决。

3. 再标记

   

   这个阶段主要解决再并发标记过程中漏标的对象，此阶段STW

4. 初始转移

   

   这个阶段主要转移初始标记阶段标记的对象

5. 并发转移

   

   这个阶段转移并发标记阶段的对象，因为这个阶段用户线程和GC线程同步进行，所以会有对象正在使用，如果此时将正在使用的对象转移到新的地址，而正在使用的对象还是旧的地址，此时就会有问题，为了解决这个问题，这个阶段使用了转发表来记录转移对象的新地址和旧地址映射关系。等到下一个ZGC垃圾回收阶段，再回收转发表中的对象。

根可达分析算法

在ZGC中，判断对象是否存活，是通过根可达分析算法来实现的，这个算法的基本思路就是通过一系列的称为”GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。

作为GC Roots的对象主要包括以下4种：

• 虚拟机栈(栈帧种的本地变量表)：各个线程调用方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。
• 方法区中类静态变量：Java类的引用类型静态变量。
• 方法区中常量：比如：字符串常量池里的引用。
• 本地方法栈中JNI指针：(即一般说的Native方法)

ZGC参数设置

ZGC优势不仅仅再其超低的STW停顿时间，也在于其参数的简单，绝大多数生产场景都可以自动适应。当然，在有些情况下也可能对个别的ZGC参数做调整，参数大致可以分为三类：

• 堆大小： -Xmx

  当分配速率过高，超过回收速率，造成堆内存不够用时，会触发Allocation Stall，这个类Stall会减缓当前的用户线程。因此，当我们在GC日志中看到Allocation Stall，通常可以认为堆空间偏小或者concurrent gc threads数偏小。

• GC触发时机： ZAllocatioSpike Tolerance，ZCollectionInterval。

  ZAllocationSpikeTolerance 用来估算当前的堆内存分配速率，在当前剩余的堆内存下，ZAllocationSpike Tolerance越大，估算的达到OOM的时间越快，ZGC就会更早地进行触发GC。ZCollectionInterval用来指定GC发生的间隔，以秒位单位触发GC

• GC线程： ParallerGCThreads，ConcGCThreads。

  ParallelGCThreads是设置STW任务的GC线程数，默认为CPU个数的60%；ConcGCThreads是并发阶段GC线程的数目，默认为CPU个数的12.5%。增加GC线程数目，可以加快GC完成任务，减少各个阶段的时间，但也会增加CPU的抢占开销。