ZGC垃圾收集器（-XX:+UseZGC）

news2024/9/24 9:21:19

ZGC在jdk11只支持Linux版本，4TB的内存，STW时间控制在10ms内；jdk16已经支持16TB的内存，STW时间不超过1ms，下面主要针对jdk11版本的详解

一、堆内存结构

ZGC堆内存分为三种类型的页面即小页面（空间大小2M，存放小于256KB的对象）、中页面（空间大小32M，存放大于256KB小于4M的对象）、大页面（空间大小>32M，存放大于4M的对象）

1、什么这么设计？

标准大页（huge page）是Linux Kernel 2.6引入的，目的是通过使用大页内存来取代传统的4KB内存页面，以适应越来越大的系统内存，让操作系统可以支持现代硬件架构的大页面容量功能。

Huge pages 有两种格式大小： 2MB 和 1GB ， 2MB 页块大小适合用于 GB 大小的内存， 1GB 页块大小适合用于 TB 级别的内存； 2MB 是默认的页大小。

所以ZGC这么设置也是为了适应现代硬件架构的发展，提升性能。

2、ZGC支持NUMA

在过去，对于X86架构的计算机，内存控制器还没有整合进CPU，所有对内存的访问都需要通过北桥芯片来完成。X86系统中的所有内存都可以通过CPU进行同等访问。任何CPU访问任何内存的速度是一致的，不必考虑不同内存地址之间的差异，这称为“统一内存访问”（Uniform Memory Access，UMA）。UMA系统的架构示意图如图所示。

在UMA中，各处理器与内存单元通过互联总线进行连接，各个CPU之间没有主从关系。之后的X86平台经历了一场从“拼频率”到“拼核心数”的转变，越来越多的核心被尽可能地塞进了同一块芯片上，各个核心对于内存带宽的争抢访问成为瓶颈，所以人们希望能够把CPU和内存集成在一个单元上（称Socket），这就是非统一内存访问（Non-Uniform Memory Access，NUMA）。很明显，在NUMA下，CPU访问本地存储器的速度比访问非本地存储器快一些。下图所示是支持NUMA处理器架构示意图。

ZGC是支持NUMA的，在进行小页面分配时会优先从本地内存分配，当不能分配时才会从远端的内存分配。对于中页面和大页面的分配，ZGC并没有要求从本地内存分配，而是直接交给操作系统，由操作系统找到一块能满足ZGC页面的空间。ZGC这样设计的目的在于，对于小页面，存放的都是小对象，从本地内存分配速度很快，且不会造成内存使用的不平衡，而中页面和大页面因为需要的空间大，如果也优先从本地内存分配，极易造成内存使用不均衡，反而影响性能。

二、颜色指针

2的42次方是4TB，如果要支持4TB内存就需要占用低42位，借高几位做gc标记和重定位生成不同的64位虚拟地址，也就是说只能运行在64位机器上，并且不支持指针压缩

三、回收过程

回收过程主要分为三个阶段标记（mark）、转移（relocate）、重定位（remap）

1、标记

初始标记：GC Roots的直接关联的对象进行标记M0，需要STW
并发标记：GC Roots关联的对象继续往下根据根可达算法继续查找，这个阶段与业务线程同时进行，可能会出现漏标的情况
再标记：这个阶段修正漏标的问题，通过SATB算法解决，需要STW

2、转移

并发转移准备：计算哪些区域垃圾最多，如果一个页面全是垃圾，那就做清理操作
初始转移：初始标记所标记的对象就是初始转移要转移的对象，即GC Roots直接关联的对象，复制同时做重定位，需要STW
并发转移：并发标记所标记的对象就是并发转移要转移的对象，即GC Roots直接关联的对象的下级的对象，复制；这个阶段不需要STW，如果初始转移的对象的下级对象还没有做转移，ZGC里面有个转发表，记录并发标记对象转移后新旧地址映射，转移和插转发表是原子操作

3、重定位

并发转移的重定位是第二次垃圾回收做重定位

初始标记：上次转移GC Roots直接引用的对象内存地址做m1标识
并发标记上次并发转移对象的重定位，删转发表和修正指针的原子操作也做m2标识

四、ZGC中的读屏障

在第一次gc和第二次gc中间有访问到堆内存的并发转移还没来得及做重定位的对象，触发对象重定位和删转发表的记录做原子操作

五、ZGC触发时机

定时触发，默认为不使用，可通过ZCollectionInterval参数配置
预热触发，最多三次，在堆内存达到10%、20%、30%时触发，主要时统计GC时间，为其他GC机制使用
基于分配速率的自适应算法：最主要的GC触发方式（默认方式），其算法原理可简单描述为”ZGC根据近期的对象分配速率以及GC时间，计算出当内存占用达到什么阈值时触发下一次GC”。通过ZAllocationSpikeTolerance参数控制阈值大小，该参数默认2，数值越大，越早的触发GC。日志中关键字是“Allocation Rate”。
主动触发规则：类似于固定间隔规则，但时间间隔不固定，是ZGC自行算出来的时机，我们的服务因为已经加了基于固定时间间隔的触发机制，所以通过-ZProactive参数将该功能关闭，以免GC频繁，影响服务可用性。