ZGC回收器到底有多变态？

zgc是个什么东东？简单说是个垃圾回收器。

一个低延迟的垃圾回收器！

多少年来，JVM中的各种垃圾回收器都在努力追求着两个目标，暂停时间足够短，同时吞吐量也要不错。为了追求二者兼具，各种垃圾回收器可谓绞尽脑汁，但还是无法同时让两个都足够好，要么暂停时间缩短了但吞吐量下降了，要么吞吐量上去了暂停时间却变长了，真的是操蛋，即使是现在最新的生产可用的G1也是，虽然他也号称是low latency，也可以指定暂停时间，但还是需要你去平衡暂停时间和吞吐量，G1可以说是非常努力了，但还是没有做到极致和傻白甜。

但事情总是发展的，前几天，jdk11的开发团队悄悄的在自己的功能列表中添加了一个叫ZGC的gc。没错，就是我们今天要侃的主角，一个集暂停与吞吐于一身的回收器，听着就是不是被吓尿了，是不是感觉以后都不用对JVM调优了，是不是以后代码可以xjb写了。

来看看它的目标：

看看这些目标！

TB级的堆随便搞！暂停时间10毫秒内！吞吐量最大下降15%！大声告诉我，吓尿没？！

好，继续。

暂停时间不会随着堆的增大而变长！不会！

总体印象

好，接下来，我们还是先对ZGC有个总体上的印象。

1、全新的垃圾回收器。“全新”指的是一点点从草稿然后搞出来，不是基于哪个来优化出来的。

2、使用了Load Barriors技术，而不是使用store Barriors。这是两种不同的技术。store barriors是hotspot里现存的好多垃圾回收器所用的技术。zgc中使用load barrior技术来跟踪堆的状态和对象的状态。

3、单代。它是一个只有一个generation的回收器。

4、Partial Compaction。也是基于部分压缩，这个和G1是一样的。

5、Region-Based GC。它有点像G1，都是基于region，但和G1不一样的是，zgc有更加灵活的region的size schema。这样我们就可以轻松的处理大对象的分配问题了。

6、Immediate Memory Reuse。zgc和G1一样，region们会被及时的清理和压缩和转移，可以让内存的复用更加的及时。

7、NUMA-aware。这是一种内存页合并的硬件技术。

8、Colored Object Pointers。

9、Concurrent。zgc一个非常重要的能力。就是并行和并发干几乎所有的事情。

比如：

• 1、Marking。
• 2、Relocation和Compaction。
• 3、Relocation Set Selection。
• 4、Reference Processing。
• 5、JNI WeakRefs Cleaning。
• 6、StringTable和SymbolTable Cleaning。
• 7、Class Unloading。

以上这些统统并发（conccurent）搞！zgc团队为他们的这一项能力非常骄傲，这在open jdk的其他垃圾回收器是非常少有的。

目前的状态

1、ZGC目前仅支持Linux/x86_64。

2、性能方面目前是非常牛x的。无论是暂停时间还是吞吐量。

看看一些数字

这是评测结构跑的分数。重点看看蓝色的指标，可以看出ZGC要比Parallel和G1要更好。

再来看看暂停时间的分数：

是不是很夸张。暂停时间远低于他们最初定的目标10ms

GC阶段

这里先放个图，先有个印象，后面会有一个gc过程示例来详细说明。

Heap Regions

堆区域。也被称为：ZPages。

这和G1的region有点像，但和G1不一样的是，region的大小更加灵活和动态。zgc的region不会像G1那样在一开始就被划分为固定大小的region。

zgc的region核心亮点就是：动态。

动态表现为：

• 1、动态地创建和销毁。
• 2、动态地决定region的大小。它的最小单位是2MB的一个块。然后每个region的大小就是是2MB*N就是。

而且他有个概念叫：size groups。有三种：

Small：就是一个2MB的region。

Medium：32mb。2MB*16。

Large：N*2MB。

整个heap长这样：

Colored Pointers

是zgc的一个核心概念。你还可以叫它tag pointers，version pointers。

metadata被保存在64-bit的pointer中。目前不支持32位的平台。也不支持CompressedOops。

Virtual Address-masking可以是硬件或操作系统或软件。

先来看看在x86_64上的colored pointer的布局：

一个pointer共64bit。开始的18bit暂时没有被用到（以后有可能要用），然后是四个bit，分别表示Finalizable、Remapped、Marked1、Marked0，这是gc过程中每个对象的状态。最后42bit是用来存储对象的地址。

当是remapped时候，表示不要指向到relocation set（具体relocation set是个什么会在后面的gc示例中说到）中。

当颜色为Finalizable的时候，就只能通过Finalizer来访问到，其他的途径已无法访问。

Linux/x86_64上是Heap Multi-Mapping

下面是在x86_64上的heap中的address space中的pointer们的逻辑映射。

在Solaris/SPARC的heap映射：

Solaris/SPARC上是single heap mapping

Load Barrier

Load Barrier主要用于在对象从heap load的时候。而且只在这一个地方用到load barrier。一旦你过了load barrier并成功的拿到了对象，之后你就可以任意的使用它了，比如访问字段，调用方法等。为什么要加入load barrier呢？它的主要目的就是检查pointer是不是“bad color”（前面我们讲到colored pointers）。如果是一个bad color的pointer，那么就需要走一个慢的路径（slow path），然后采取一些措施然后让他变成good color，然后下次你在load的时候，就会走快的路径（fast path），而不需要做额外的措施了。

bad color：mark 、relocate、remap。

good color：repair、heal。

大部分的情况下的对象引用都是good color。

来看看一个例子：

具体的load barrier实现：

如果不是good color并且对象不为null，那么执行slow_path:

GC过程示例

接下来展示一下zgc中的gc过程。

开始示例之前，先说明下，本图的基本元素。含有箭头的线条我们称之为：pointer。然后每个数字表示object。每个方块表示一个region。

首先从roots开始一直往下连通，如果能够直接连通的，我们认为就是可达的，然后标记为红色。

Pause Mark Start

然后标记1为红色，表示ok。

然后标记2为红色。

然后标记4为红色。

Concurrent Mark

现在标记结束了。接下来进入的阶段是“重新分配准备阶段”：Concurrent Prepare for Relocate。

Relocation就是一个转移的过程。

标记过后，我们发现3，6，7是不同的颜色。

Concurrent Prepare for Relocate

标记过后，就需要确定哪些region中的对象被转移。可以发现含有3、6、7的两个region被列为了Relocation Set，意味着这两个region中的对象将会被relocation。

那么4、5、8要被转移到哪里呢？

接下来进入Pause Relocate Start阶段。

Pause Relocate Start

绿色表示Remapped+Relocate的过程。

当来到4的是，发现它属于Relocation Set的对象，于是把4转移到了最右边的那个全新的region中。然后在下面的Forwarding Table中做个记录。

然后进入到Concurrent Relocate阶段。把4转移了？那5和8怎么办呢？

Concurrent Relocate

这个阶段，负责5和8转移到4现在所在的那个region。

现在5已经被转移到了新region。原来3、4、5所在region已经被清理空了，可以重新被使用了。如下：

同样的做法，把8也转移到新的region里。

同样的又一个region被腾空了，可以被重新使用了。

GC Cycle Completed

好，是不是发现2和5已经无法连通了。接下来进入第二阶段的Pause Mark Start。

Pause Mark Start (Second Cycle)

Concurrent Mark (Second Cycle)

Pause Mark End (Second Cycle)

Concurrent Prepare for Relocate (Second Cycle)

可以发现Forwarding Table已被清空。

Stripe Mark

好，你也许好奇，那么多的region，zgc是怎么进行一个个进行回收的呢？上面只是展示了几个对象而已，几个region而已。

这里就要说到zgc的一个宏观的条纹标记技术：Striped Mark。光听到这名词，你也许不知道具体是怎么做的。

这就是条纹，每个条纹的颜色不同。

条纹标记法会把heap逻辑上分成若干个条纹组。然后把每个gc线程都隔离到它自己的stripe上进行gc。

现在假设有四个GC线程。然后Heap如上所示。

然后把heap分为不同颜色的条纹。

然后再抽象一层stripe分组。

不同颜色的条纹由不同的线程来处理。

但有种情况是有的GC线程提前完成了自己所在stripe的清理工作。此时它会加入到其他的stripe上继续帮助其他的gc线程继续清理其他的stripe（这个思路有点类似工作窃取算法）。

好，以上就是全部。ZGC，一个集暂停与吞吐于一身的GC，一个暂停时间控制在10毫秒以内的GC