12张图带你彻底理解Java新的垃圾收集器ZGC - 哈喽比特

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ZGC（Z Garbage Collector）是一款性能比 G1 更加优秀的垃圾收集器。ZGC 第一次出现是在 JDK 11 中以实验性的特性引入，这也是 JDK 11 中最大的亮点。在 JDK 15 中 ZGC 不再是实验功能，可以正式投入生产使用了，使用 –XX:+UseZGC 可以启用 ZGC。

ZGC 有 3 个重要特性：

暂停时间不会超过 10 ms。

JDK 16 发布后，GC 暂停时间已经缩小到 1 ms 以内，并且时间复杂度是 o(1)，这也就是说 GC 停顿时间是一个固定值了，并不会受堆内存大小影响。

下面图片来自:https://malloc.se/blog/zgc-jdk16

最大支持 16TB 的大堆，最小支持 8MB 的小堆。
跟 G1 相比，对应用程序吞吐量的影响小于 15 %。

1 内存多重映射

内存多重映射，就是使用 mmap 把不同的虚拟内存地址映射到同一个物理内存地址上。如下图：

ZGC 为了更灵活高效地管理内存，使用了内存多重映射，把同一块儿物理内存映射为 Marked0、Marked1 和 Remapped 三个虚拟内存。

当应用程序创建对象时，会在堆上申请一个虚拟地址，这时 ZGC 会为这个对象在 Marked0、Marked1 和 Remapped 这三个视图空间分别申请一个虚拟地址，这三个虚拟地址映射到同一个物理地址。

Marked0、Marked1 和 Remapped 这三个虚拟内存作为 ZGC 的三个视图空间，在同一个时间点内只能有一个有效。ZGC 就是通过这三个视图空间的切换，来完成并发的垃圾回收。

2 染色指针

2.1 三色标记回顾

我们知道 G1 垃圾收集器使用了三色标记，这里先做一个回顾。下面是一个三色标记过程中的对象引用示例图：

总共有三种颜色，说明如下：

白色：本对象还没有被标记线程访问过。
灰色：本对象已经被访问过，但是本对象引用的其他对象还没有被全部访问。
黑色：本对象已经被访问过，并且本对象引用的其他对象也都被访问过了。

三色标记的过程如下：

初始阶段，所有对象都是白色。
将 GC Roots 直接引用的对象标记为灰色。
处理灰色对象，把当前灰色对象引用的所有对象都变成灰色，之后将当前灰色对象变成黑色。
重复步骤 3，直到不存在灰色对象为止。

三色标记结束后，白色对象就是没有被引用的对象（比如上图中的 H 和 G），可以被回收了。

2.2 染色指针

ZGC 出现之前， GC 信息保存在对象头的 Mark Word 中。比如 64 位的 JVM，对象头的 Mark Word 中保存的信息如下图：

前 62位保存了 GC 信息，最后两位保存了锁标志。

ZGC 的一大创举是将 GC 信息保存在了染色指针上。染色指针是一种将少量信息直接存储在指针上的技术。在 64 位 JVM 中，对象指针是 64 位，如下图：

在这个 64 位的指针上，高 16 位都是 0，暂时不用来寻址。剩下的 48 位支持的内存可以达到 256 TB（2 ^48）,这可以满足多数大型服务器的需要了。不过 ZGC 并没有把 48 位都用来保存对象信息，而是用高 4 位保存了四个标志位，这样 ZGC 可以管理的最大内存可以达到 16 TB（2 ^ 44）。

通过这四个标志位，JVM 可以从指针上直接看到对象的三色标记状态（Marked0、Marked1）、是否进入了重分配集（Remapped）、是否需要通过 finalize 方法来访问到（Finalizable）。

无需进行对象访问就可以获得 GC 信息，这大大提高了 GC 效率。

3 内存布局

首先我们回顾一下 G1 垃圾收集器的内存布局。G1把整个堆分成了大小相同的 region，每个堆大约可以有 2048 个region，每个 region 大小为 1~32 MB （必须是 2 的次方）。如下图：

跟 G1 类似，ZGC 的堆内存也是基于 Region 来分布，不过 ZGC 是不区分新生代老年代的。不同的是，ZGC 的 Region 支持动态地创建和销毁，并且 Region 的大小不是固定的，包括三种类型的 Region ：

Small Region：2MB，主要用于放置小于 256 KB 的小对象。
Medium Region：32MB，主要用于放置大于等于 256 KB 小于 4 MB 的对象。
Large Region：N * 2MB。这个类型的 Region 是可以动态变化的，不过必须是 2MB 的整数倍，最小支持 4 MB。每个 Large Region 只放置一个大对象，并且是不会被重分配的。

4 读屏障

读屏障类似于 Spring AOP 的前置增强，是 JVM 向应用代码中插入一小段代码，当应用线程从堆中读取对象的引用时，会先执行这段代码。注意：只有从堆内存中读取对象的引用时，才会执行这个代码。下面代码只有第一行需要加入读屏障。

Object o = obj.FieldA
Object p = o //不是从堆中读取引用
o.dosomething() //不是从堆中读取引用
int i =  obj.FieldB //不是引用类型

读屏障在解释执行时通过 load 相关的字节码指令加载数据。作用是在对象标记和转移过程中，判断对象的引用地址是否满足条件，并作出相应动作。如下图：

标记、转移和重定位这些过程请看下一节。

读屏障会对应用程序的性能有一定影响，据测试，对性能的最高影响达到 4%，但提高了 GC 并发能力，降低了 STW。

5 GC 过程

前面已经讲过，ZGC 使用内存多重映射技术，把物理内存映射为 Marked0、Marked1 和 Remapped 三个地址视图，利用地址视图的切换，ZGC 实现了高效的并发收集。

ZGC 的垃圾收集过程包括标记、转移和重定位三个阶段。如下图：

ZGC 初始化后，整个内存空间的地址视图被设置为 Remapped。

5.1 初始标记

从 GC Roots 出发，找出 GC Roots 直接引用的对象，放入活跃对象集合，这个过程需要 STW，不过 STW 的时间跟 GC Roots 数量成正比，耗时比较短。

5.2 并发标记

并发标记过程中，GC 线程和 Java 应用线程会并行运行。这个过程需要注意下面几点：

GC 标记线程访问对象时，如果对象地址视图是 Remapped，就把对象地址视图切换到 Marked0，如果对象地址视图已经是 Marked0，说明已经被其他标记线程访问过了，跳过不处理。
标记过程中Java 应用线程新创建的对象会直接进入 Marked0 视图。
标记过程中Java 应用线程访问对象时，如果对象的地址视图是 Remapped，就把对象地址视图切换到 Marked0，可以参考前面讲的读屏障。
标记结束后，如果对象地址视图是 Marked0，那就是活跃的，如果对象地址视图是 Remapped，那就是不活跃的。

标记阶段的活跃视图也可能是 Marked1，为什么会采用两个视图呢？

这里采用两个视图是为了区分前一次标记和这一次标记。如果这次标记的视图是 Marked0，那下一次并发标记就会把视图切换到 Marked1。这样做可以配合 ZGC 按照页回收垃圾的做法。如下图：

第二次标记的时候，如果还是切换到 Marked0，那么 2 这个对象区分不出是活跃的还是上次标记过的。如果第二次标记切换到 Marked1，就可以区分出了。

这时 Marked0 这个视图的对象就是上次标记过程被标记过活跃，转移的时候没有被转移，但这次标记没有被标记为活跃的对象。Marked1 视图的对象是这次标记被标记为活跃的对象。Remapped 视图的对象是上次垃圾回收发生转移或者是被 Java 应用线程访问过，本次垃圾回收中被标记为不活跃的对象。

5.3 再标记

并发标记阶段 GC 线程和 Java 应用线程并发执行，标记过程中可能会有引用关系发生变化而导致的漏标记问题。再标记阶段重新标记并发标记阶段发生变化的对象，还会对非强引用（软应用，虚引用等）进行并行标记。

这个阶段需要 STW，但是需要标记的对象少，耗时很短。

5.4 初始转移

转移就是把活跃对象复制到新的内存，之前的内存空间可以被回收。

初始转移需要扫描 GC Roots 直接引用的对象并进行转移，这个过程需要 STW，STW 时间跟 GC Roots 成正比。

5.5 并发转移

并发转移过程 GC 线程和 Java 线程是并发进行的。上面已经讲过，转移过程中对象视图会被切回 Remapped 。转移过程需要注意以下几点：

如果 GC 线程访问对象的视图是 Marked0，则转移对象，并把对象视图设置成 Remapped。
如果 GC 线程访问对象的视图是 Remapped，说明被其他 GC 线程处理过，跳过不再处理。
并发转移过程中 Java 应用线程创建的新对象地址视图是 Remapped。
如果 Java 应用线程访问的对象被标记为活跃并且对象视图是 Marked0，则转移对象，并把对象视图设置成 Remapped。

5.6 重定位

转移过程对象的地址发生了变化，在这个阶段，把所有指向对象旧地址的指针调整到对象的新地址上。

6 垃圾收集算法

ZGC 采用标记 - 整理算法，算法的思想是把所有存活对象移动到堆的一侧，移动完成后回收掉边界以外的对象。如下图：

6.1 JDK 16 之前

在 JDK 16 之前，ZGC 会预留（Reserve）一块儿堆内存，这个预留内存不能用于 Java 线程的内存分配。即使从 Java 线程的角度看堆内存已经满了也不能使用 Reserve，只有 GC 过程中搬移存活对象的时候才可以使用。如下图：

这样做的好处是算法简单，非常适合并行收集。但这样做有几个问题：

因为有预留内存，能给 Java 线程分配的堆内存小于 JVM 声明的堆内存。
Reserve 仅仅用于存放 GC 过程中搬移的对象，有点内存浪费。
因为 Reserve 不能给 GC 过程中搬移对象的 Java 线程使用，搬移线程可能会因为申请不到足够内存而不能完成对象搬移，这返回过来又会导致应用程序的 OOM。

6.2 JDK 16 改进

JDK 16 发布后，ZGC 支持就地搬移对象（G1 在 Full GC 的时候也是就地搬移）。这样做的好处是不用预留空闲内存了。如下图：

不过就地搬移也有一定的挑战。比如：必须考虑搬移对象的顺序，否则可能会覆盖尚未移动的对象。这就需要 GC 线程之间更好的进行协作，不利于并发收集，同时也会导致搬移对象的 Java 线程需要考虑什么可以做什么不可以做。

为了获得更好的 GC 表现，JDK 16 在支持就地搬移的同时，也支持预留（Reserve）堆内存的方式，并且 ZGC 不需要真的预留空闲的堆内存。默认情况下，只要有空闲的 region，ZGC 就会使用预留堆内存的方式，如果没有空闲的 region，否则 ZGC 就会启用就地搬移。如果有了空闲的 region， ZGC 又会切换到预留堆内存的搬移方式。

7 总结

内存多重映射和染色指针的引入，使 ZGC 的并发性能大幅度提升。

ZGC 只有 3 个需要 STW 的阶段，其中初始标记和初始转移只需要扫描所有 GC Roots，STW 时间 GC Roots 的数量成正比，不会耗费太多时间。再标记过程主要处理并发标记引用地址发生变化的对象，这些对象数量比较少，耗时非常短。可见整个 ZGC 的 STW 时间几乎只跟 GC Roots 数量有关系，不会随着堆大小和对象数量的变化而变化。

ZGC 也有一个缺点，就是浮动垃圾。因为 ZGC 没有分代概念，虽然 ZGC 的 STW 时间在 1ms 以内，但是 ZGC 的整个执行过程耗时还是挺长的。在这个过程中 Java 线程可能会创建大量的新对象，这些对象会成为浮动垃圾，只能等下次 GC 的时候进行回收。