垃圾回收器-ZGC的设计思路-京东云开发者社区

### 1 ZGC介绍
ZGC收集器（Z Garbage Collector）是由Oracle公司研发的。2018年创建了JEP 333将ZGC提交给OpenJDK，推动其进入OpenJDK11的发布清单中,zgc是一款可拓展的低时延，为实现以下几个目标而诞生的垃回收器：
- 停顿时间不超过10ms
- 停顿时间不会导致堆大小增长
- 堆大小范围可支持几G到几T

**zgc的标签：**
- 与Shenandoah和G1一样，ZGC也采用基于Region的堆内存布局。
- ZGC的Region具有动态性。
- 动态创建和销毁
- 动态的区域容量大小

### 2 ZGC原理
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：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/1ee043a4-13d1-4de2-a8ff-09a48d9259fc20210826134535.png)

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。即，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
在讲ZGC并发处理算法之前，还需要补充一个知识点——染色指针。

我们都知道，之前的垃圾收集器都是把GC信息（标记信息、GC分代年龄..）存在对象头的Mark Word里。举个例子：

如果某个人是个垃圾人，就在这个人的头上盖一个“垃圾”的章；如果这个人不是垃圾了，就把这个人头上的“垃圾”印章洗掉。

**而ZGC是这样做的：**

如果某个人是垃圾人。就在这个人的身份证信息里面标注这个人是个垃圾，以后不管这个人在哪刷身份证，别人都知道他是个垃圾人了。也许哪一天，这个人醒悟了不再是垃圾人了，就把这个人身份证里面的“垃圾”标志去掉。

在这例子中，“这个人”就是一个对象，而“身份证”就是指向这个对象的指针。

ZGC将信息存储在指针中，这种技术有一个高大上的名字——染色指针（Colored Pointer）。

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/c7232b85-797c-42ec-bfd4-110ab64da42420210826134630.png)

**在64位的机器中，对象指针是64位的。**
- ZGC使用64位地址空间的第0~43位存储对象地址，2^44 = 16TB，所以ZGC最大支持16TB的堆。
- 而第44~47位作为颜色标志位，Marked0、Marked1和Remapped代表三个视图标志位，Finalizable表示这个对象只能通过finalizer才能访问。
- 第48~63位固定为0没有利用。

### 4 读屏障
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。千万不要把这个读屏障和Java内存模型里面的读屏障搞混了，两者根本不是同一个东西，ZGC中的读屏障更像是一种AOP技术，在字节码层面或者编译代码层面给读操作增加一个额外的处理。

#### 4.1 读屏障实例

```java
Object o = obj.FieldA // 从堆中读取对象引用，需要加入读屏障
<load barrier needed here> 
Object p = o // 无需加入读屏障，因为不是从堆中读取引用
o.dosomething() // 无需加入读屏障，因为不是从堆中读取引用
int i =  obj.FieldB // 无需加入读屏障，因为不是对象引用

```

#### 障的4.2 ZGC中读屏障的代码作用
GC线程和应用线程是并发执行的，所以存在应用线程去A对象内部的引用所指向的对象B的时候，这个对象B正在被GC线程移动或者其他操作，加上读屏障之后，应用线程会去探测对象B是否被GC线程操作，然后等操作完成再读取对象，确保数据的准确性。具体的探测和操作步骤如下：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/1659ab8a-0aa8-41e4-b5fe-e885b35070ed20210826134741.png)

这样会影响程序的性能吗？

**会。**据测试，最多百分之4的性能损耗。但这是ZGC并发转移的基础，为了降低STW，设计者认为这点牺牲是可接受的。

### 5 ZGC的优点

- 低停顿，高吞吐量，ZGC收集过程中额外耗费的内存小。
- 低停顿，几乎所有过程都是并发的，只有短暂的STW。
- 内存小，ZGC没有写屏障，卡表之类的。
- 吞吐量方面，在ZGC的‘弱项’吞吐量方面，因为和用户线程并发，还是有影响的。但是！但是！，以低延迟为首要目标的ZGC已经达到了以高吞吐量为目标Parallel Scavenge的99%,直接超越了G1。
- G1通过写屏障维护记忆集，才能处理跨代指针，得以实现增量回收。记忆集占用大量内存，写屏障对正常程序造成额外负担。
- 在多核处理器的某种架构下，ZGC优先在线程当前所处的处理器的本地内存上分配对象，以保证内存高效访问。
- 并发停顿方面：ZGC只有短暂的STW，大部分的过程都是和应用线程并发执行，比如最耗时的并发标记和并发移动过程。
- ZGC中没有引入分代，也就没有新生代和老年代的概念，只有一块一块的内存区域page，以page单位进行对象的分配和回收。
- 并发的标记-整理算法。没有内存碎片。

### 6 ZGC的缺点

- 承受的对象分配速率不会太高，因为浮动垃圾。
- 停顿时间ZGC是在10ms以下，但是ZGC的执行时间还是远远大于这个时间的。假如ZGC全过程需要执行10分钟，在这个期间由于对象分配速率很高，将创建大量的新对象，这些对象很难进入当次GC，所以只能在下次GC的时候进行回收，这些只能等到下次GC才能回收的对象就是浮动垃圾。
- 造成回收到的内存空间小于期间并发产生的浮动垃圾所占的空间。
- ZGC没有分代概念，每次都需要进行全堆扫描，导致一些“朝生夕死”的对象没能及时的被回收。所以就不存在Young GC、Old GC，所有的GC行为都是Full GC。

### 7 总结
ZGC确实是Java的最前沿的技术，但在G1都没有普及的今天，谈论ZGC似乎为时过早。但也许我们探讨的不是ZGC，而是ZGC背后的设计思路。

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###### 作者：北斗星团队(网规技术部 王新宇)