如何理解JVMZGC垃圾收集器

這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會(huì)給大家?guī)?lái)有關(guān)如何理解JVM  ZGC垃圾收集器，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

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如果下面的一些概念有些不清楚的可以先看深入理解JVM - 垃圾收集器和深入理解JVM - Shenandoah垃圾收集器。

ZGC（Z Garbage Collector）是一款由Oracle公司研發(fā)的，以低延遲為首要目標(biāo)的一款垃圾收集器。它是基于動(dòng)態(tài)Region內(nèi)存布局，（暫時(shí)）不設(shè)年齡分代，使用了讀屏障、染色指針和內(nèi)存多重映射等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可并發(fā)的標(biāo)記-整理算法的收集器。在JDK 11新加入，還在實(shí)驗(yàn)階段，主要特點(diǎn)是：回收TB級(jí)內(nèi)存（最大4T），停頓時(shí)間不超過(guò)10ms。

動(dòng)態(tài)Region

ZGC的Region可以具有如圖所示的大、中、小三類容量：

• 小型Region（Small Region）：容量固定為2MB，用于放置小于256KB的小對(duì)象。

• 中型Region（Medium Region）：容量固定為32MB，用于放置大于等于256KB但小于4MB的對(duì)象?！?/p>

• 大型Region（Large Region）：容量不固定，可以動(dòng)態(tài)變化，但必須為2MB的整數(shù)倍，用于放置4MB或以上的大對(duì)象。每個(gè)大型Region中只會(huì)存放一個(gè)大對(duì)象，最小容量可低至4MB，所有大型Region可能小于中型Region。大型Region在ZGC的實(shí)現(xiàn)中是不會(huì)被重分配的，因?yàn)閺?fù)制一個(gè)大對(duì)象的代價(jià)非常高昂。

染色指針技術(shù)

HotSpot虛擬機(jī)的標(biāo)記實(shí)現(xiàn)方案有如下幾種：

（1）把標(biāo)記直接記錄在對(duì)象頭上（如Serial收集器）；

（2）把標(biāo)記記錄在與對(duì)象相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上（如G1、Shenandoah使用了一種相當(dāng)于堆內(nèi)存的1/64大小的，稱為BitMap的結(jié)構(gòu)來(lái)記錄標(biāo)記信息）；

（3）直接把標(biāo)記信息記在引用對(duì)象的指針上（如ZGC）

染色指針是一種直接將少量額外的信息存儲(chǔ)在指針上的技術(shù)。目前在Linux下64位的操作系統(tǒng)中高18位是不能用來(lái)尋址的，但是剩余的46為卻可以支持64T的空間，到目前為止我們幾乎還用不到這么多內(nèi)存。于是ZGC將46位中的高4位取出，用來(lái)存儲(chǔ)4個(gè)標(biāo)志位，剩余的42位可以支持4T的內(nèi)存，如圖所示：

• Linux下64位指針的高18位不能用來(lái)尋址，所有不能使用；

• Finalizable：表示是否只能通過(guò)finalize()方法才能被訪問到，其他途徑不行；

• Remapped：表示是否進(jìn)入了重分配集（即被移動(dòng)過(guò)）；

• Marked1、Marked0：表示對(duì)象的三色標(biāo)記狀態(tài)；

• 最后42用來(lái)存對(duì)象地址，最大支持4T；

三色標(biāo)記

在并發(fā)的可達(dá)性分析算法中我們使用三色標(biāo)記（Tri-color Marking）來(lái)標(biāo)記對(duì)象是否被收集器訪問過(guò)：

• 白色：表示對(duì)象尚未被垃圾收集器訪問過(guò)。顯然在可達(dá)性分析剛剛開始的階段，所有的對(duì)象都是白色的，若在分析結(jié)束的階段，仍然是白色的對(duì)象，即代表不可達(dá)。

• 黑色：表示對(duì)象已經(jīng)被垃圾收集器訪問過(guò)，且這個(gè)對(duì)象的所有引用都已經(jīng)掃描過(guò)。黑色的對(duì)象代表已經(jīng)掃描過(guò)，它是安全存活的，如果有其他對(duì)象引用指向了黑色對(duì)象，無(wú)須重新掃描一遍。黑色對(duì)象不可能直接（不經(jīng)過(guò)灰色對(duì)象）指向某個(gè)白色對(duì)象。

• 灰色：表示對(duì)象已經(jīng)被垃圾收集器訪問過(guò)，但這個(gè)對(duì)象上至少存在一個(gè)引用還沒有被掃描過(guò)。

可達(dá)性分析的掃描過(guò)程，其實(shí)就是一股以灰色為波峰的波紋從黑向白推進(jìn)的過(guò)程，但是在并發(fā)的推進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生“對(duì)象消失”的問題，如圖：、

對(duì)象消失理論，只有同時(shí)滿足才會(huì)發(fā)生對(duì)象消失：

• 賦值器插入了一條或多條從黑色對(duì)象到白色對(duì)象的新引用；

• 賦值器刪除了全部從灰色對(duì)象到該白色對(duì)象的直接或間接引用；

要解決對(duì)象消失問題只需要破壞其中一條就行了，目前常用有兩種方案：

• 增量更新（Incremental Update）:增量更新要破壞的是第一個(gè)條件，當(dāng)黑色對(duì)象插入新的指向白色對(duì)象的引用關(guān)系時(shí)，就將這個(gè)新插入的引用記錄下來(lái)，等并發(fā)掃描結(jié)束之后，再將這些記錄過(guò)的引用關(guān)系中的黑色對(duì)象為根，重新掃描一次。這可以簡(jiǎn)化理解為，黑色對(duì)象一旦新插入了指向白色對(duì)象的引用之后，它就變回灰色對(duì)象了。

• 原始快照（Snapshot At TheBeginning，SATB）:原始快照要破壞的是第二個(gè)條件，當(dāng)灰色對(duì)象要?jiǎng)h除指向白色對(duì)象的引用關(guān)系時(shí)，就將這個(gè)要?jiǎng)h除的引用記錄下來(lái)，在并發(fā)掃描結(jié)束之后，再將這些記錄過(guò)的引用關(guān)系中的灰色對(duì)象為根，重新掃描一次。這也可以簡(jiǎn)化理解為，無(wú)論引用關(guān)系刪除與否，都會(huì)按照剛剛開始掃描那一刻的對(duì)象圖快照來(lái)進(jìn)行搜索。

以上無(wú)論是對(duì)引用關(guān)系記錄的插入還是刪除，虛擬機(jī)的記錄操作都是通過(guò)寫屏障實(shí)現(xiàn)的。CMS是基于增量更新來(lái)做并發(fā)標(biāo)記的，G1、Shenandoah則是用原始快照來(lái)實(shí)現(xiàn)。

染色指針的三大優(yōu)勢(shì)

（1）一旦某個(gè)Region的存活對(duì)象被移走之后，這個(gè)Region立即就能夠被釋放和重用掉，而不必等待整個(gè)堆中所有指向該Region的引用都被修正后才能清理，這使得理論上只要還有一個(gè)空閑Region，ZGC就能完成收集。而Shenandoah需要等到更新階段結(jié)束才能釋放回收集中的Region，如果Region里面對(duì)象都存活的時(shí)候，需要1:1的空間才能完成收集。

（2）染色指針可以大幅減少在垃圾收集過(guò)程中內(nèi)存屏障的使用數(shù)量，ZGC只使用了讀屏障。

（3）染色指針具備強(qiáng)大的擴(kuò)展性，它可以作為一種可擴(kuò)展的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)用來(lái)記錄更多與對(duì)象標(biāo)記、重定位過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便日后進(jìn)一步提高性能。

內(nèi)存多重映射

ZGC使用了內(nèi)存多重映射（Multi-Mapping）將多個(gè)不同的虛擬內(nèi)存地址映射到同一個(gè)物理內(nèi)存地址上，這是一種多對(duì)一映射，意味著ZGC在虛擬內(nèi)存中看到的地址空間要比實(shí)際的堆內(nèi)存容量來(lái)得更大。把染色指針中的標(biāo)志位看作是地址的分段符，那只要將這些不同的地址段都映射到同一個(gè)物理內(nèi)存空間，經(jīng)過(guò)多重映射轉(zhuǎn)換后，就可以使用染色指針正常進(jìn)行尋址了，效果如圖：

ZGC的多重映射只是它采用染色指針技術(shù)的伴生產(chǎn)物

讀屏障

當(dāng)對(duì)象從堆中加載的時(shí)候，就會(huì)使用到讀屏障（Load Barrier）。這里使用讀屏障的主要作用就是檢查指針上的三色標(biāo)記位，根據(jù)標(biāo)記位判斷出對(duì)象是否被移動(dòng)過(guò)，如果沒有可以直接訪問，如果移動(dòng)過(guò)就需要進(jìn)行“自愈”（對(duì)象訪問會(huì)變慢，但也只會(huì)有一次變慢），當(dāng)“自愈”完成后，后續(xù)訪問就不會(huì)變慢了。

讀寫屏障可以理解成對(duì)象訪問的“AOP”操作

ZGC運(yùn)作過(guò)程

ZGC的運(yùn)作過(guò)程大致可劃分為以下四個(gè)大的階段：

• 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Mark）：與G1、Shenandoah一樣，并發(fā)標(biāo)記是遍歷對(duì)象圖做可達(dá)性分析的階段，它的初始標(biāo)記和最終標(biāo)記也會(huì)出現(xiàn)短暫的停頓，整個(gè)標(biāo)記階段只會(huì)更新染色指針中的Marked 0、Marked 1標(biāo)志位。

• 并發(fā)預(yù)備重分配（Concurrent Prepare for Relocate）：這個(gè)階段需要根據(jù)特定的查詢條件統(tǒng)計(jì)得出本次收集過(guò)程要清理哪些Region，將這些Region組成重分配集（Relocation Set）。ZGC每次回收都會(huì)掃描所有的Region，用范圍更大的掃描成本換取省去G1中記憶集的維護(hù)成本。

• 并發(fā)重分配（Concurrent Relocate）：重分配是ZGC執(zhí)行過(guò)程中的核心階段，這個(gè)過(guò)程要把重分配集中的存活對(duì)象復(fù)制到新的Region上，并為重分配集中的每個(gè)Region維護(hù)一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表（Forward Table），記錄從舊對(duì)象到新對(duì)象的轉(zhuǎn)向關(guān)系。ZGC收集器能僅從引用上就明確得知一個(gè)對(duì)象是否處于重分配集之中，如果用戶線程此時(shí)并發(fā)訪問了位于重分配集中的對(duì)象，這次訪問將會(huì)被預(yù)置的內(nèi)存屏障所截獲，然后立即根據(jù)Region上的轉(zhuǎn)發(fā)表記錄將訪問轉(zhuǎn)發(fā)到新復(fù)制的對(duì)象上，并同時(shí)修正更新該引用的值，使其直接指向新對(duì)象，ZGC將這種行為稱為指針的“自愈”（Self-Healing）能力。

ZGC的染色指針因?yàn)椤白杂保⊿elf-Healing）能力，所以只有第一次訪問舊對(duì)象會(huì)變慢，而Shenandoah的Brooks轉(zhuǎn)發(fā)指針是每次都會(huì)變慢。

一旦重分配集中某個(gè)Region的存活對(duì)象都復(fù)制完畢后，這個(gè)Region就可以立即釋放用于新對(duì)象的分配，但是轉(zhuǎn)發(fā)表還得留著不能釋放掉，因?yàn)榭赡苓€有訪問在使用這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表。

• 并發(fā)重映射（Concurrent Remap）：重映射所做的就是修正整個(gè)堆中指向重分配集中舊對(duì)象的所有引用，但是ZGC中對(duì)象引用存在“自愈”功能，所以這個(gè)重映射操作并不是很迫切。ZGC很巧妙地把并發(fā)重映射階段要做的工作，合并到了下一次垃圾收集循環(huán)中的并發(fā)標(biāo)記階段里去完成，反正它們都是要遍歷所有對(duì)象的，這樣合并就節(jié)省了一次遍歷對(duì)象圖的開銷。

ZGC存在的問題

ZGC最大的問題是浮動(dòng)垃圾。

浮動(dòng)垃圾

ZGC的停頓時(shí)間是在10ms以下，但是ZGC的執(zhí)行時(shí)間還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)時(shí)間的。假如ZGC全過(guò)程需要執(zhí)行10分鐘，在這個(gè)期間由于對(duì)象分配速率很高，將創(chuàng)建大量的新對(duì)象，這些對(duì)象很難進(jìn)入當(dāng)次GC，所以只能在下次GC的時(shí)候進(jìn)行回收，這些只能等到下次GC才能回收的對(duì)象就是浮動(dòng)垃圾。

ZGC沒有分代概念，每次都需要進(jìn)行全堆掃描，導(dǎo)致一些“朝生夕死”的對(duì)象沒能及時(shí)的被回收。

解決方案

目前唯一的辦法是增大堆的容量，使得程序得到更多的喘息時(shí)間，但是這個(gè)也是一個(gè)治標(biāo)不治本的方案。如果需要從根本上解決這個(gè)問題，還是需要引入分代收集，讓新生對(duì)象都在一個(gè)專門的區(qū)域中創(chuàng)建，然后專門針對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行更頻繁、更快的收集。

官方測(cè)試數(shù)據(jù)

停頓時(shí)間

在ZGC的停頓時(shí)間測(cè)試上，和其他收集器相比完全不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖：

吞吐量

ZGC的“弱項(xiàng)”吞吐量方面，以低延遲為首要目標(biāo)的ZGC已經(jīng)達(dá)到了以高吞吐量為目標(biāo)Parallel Scavenge的99%，直接超越了G1，如圖：

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：低停頓，高吞吐量，ZGC收集過(guò)程中額外耗費(fèi)的內(nèi)存小

缺點(diǎn)：浮動(dòng)垃圾

上述就是小編為大家分享的如何理解JVM  ZGC垃圾收集器了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進(jìn)行理解。如果想知道更多相關(guān)知識(shí)，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

網(wǎng)站題目：如何理解JVMZGC垃圾收集器
標(biāo)題路徑：http://muchs.cn/article0/ppjeio.html

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