JVM系统优化实践（24）：ZGC（一）

news2024/11/27 14:45:12

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截止到目前，算上ZGC，Java一共有九种类型的GC，它们分别是：

1、Serial GC 串行/作用于新生代/复制算法/响应速度优先/适用于单CPU下的client模式

2、ParNew GC 并行/作用于新生代/复制算法/响应速度优先/多CPU的Server模式与CMS配合使用

3、Parallel GC 并行/作用于新生代/复制算法/吞吐量优先/适用于后台运算且不需要太多交互

4、Serial Old GC 串行/作用于老年代/标记-整理算法/响应速度优先/单CPU下的Client模式

5、Parallel Old GC 并行/作用于老年代/标记-整理算法/吞吐量优先/适用于后台运算且不需要太多交互

6、CMS GC 并行/作用于老年代/标记-清除算法/响应速度优先/适用于互联网或B/S业务

7、G1 GC 并行/新生或老年代/标记-整理算法+复制算法/响应速度优先/面向服务端应用

8、Epsilon GC A No-Op GC

9、The Z GC 并发/单代/标记-整理算法+复制算法/响应速度优先/面向大数据应用

ZGC之前，下面几种GC算法是Java的主流。

1、CMS GC（JDK1.4）

2、ParNew GC（JDK1.6）

3、G1 GC（JDK1.8）

而JDK11采用了全新的GC算法。官方的介绍说它是一个Scalable和Low-Latency的GC（可以在OpenJDK官网上查JEP333）。

ZGC野心极大，其诞生之初的目标就是：

1、支持TB级别的堆内存（最大4TB）

2、最大GC停顿时间不超过10ms，且不随着堆的大小而变化

3、GC停顿期间，吞吐量降低不超过15%

4、可伸缩、低延迟

不同于以往任何的那种修修补补式的GC，ZGC不是从过去GC算法优化来的，而是全新的，JDK11的ZGC只能运行在Linux64位操作系统中（JDK14可以运行于Windows和Mac系统）。

它采用单代模型，没有了年轻代、老年代的划分，也就没有了Minor GC和Major GC的区别。

1、Region Based GC，和G1类似，但有更加灵活的region size schema，这也正是能处理TB即堆内存的原因

2、Partial Compaction，和G1一样的部分压缩

3、Colored Object Pointer，染色对象指针，使用三色标记实现对象清理

4、Multi-Mapping，内存多重映射

5、使用Load Barrier（读屏障）技术修正GC扫描结果

6、Concurrent，ZGC几乎总是以并发的形式完成所有的工作

下面一个一个来说一下。

关于单代模型：

以前的GC模型之所以分代，是源于对象生命周期极短的假设。

实现分代模型非常麻烦，为了判断是年轻代还是老年代，G1通过Remembered Set记录Region对象之间的双向引用关系，这种跟踪跨代引用的任务特别繁重。所以ZGC的做法是控制停顿阶段做的事情不和堆中的对象产生直接关联，所有在堆上进行的扫描、分配、复制等操作都是并发的，通过扫描整个堆和染色指针技术，ZGC成功去除了Remembered Set。

关于Region区域：

和G1一样，都是基于内存Region设计的GC。但它和G1固定大小的Region不同，ZGC中每个Region大小分为3类：2MB、32MB、N×32MB这几种「规格」：

1、容量2MB的Small Page存放 < 256KB的小对象

2、容量32MB的Medium Page存放 >= 256KB 且 < 4MB的对象

3、容量N×32MB的Large Page存放 >= 4MB的大对象，每个Page只放一个对象

ZGC Region的核心亮点就是动态：动态地创建和销毁，动态地决定Region的大小。

Region区域看起来就想这样的：

关于部分压缩：

以前的ParallelOldGC、CMS，无论老年代有多大，都会进行整体压缩，从而Old区越大，导致停顿时间越长。而G1和ZGC是基于Region实现的，因此只会选择部分Region进行回收，这一点G1和ZGC是一样的。

关于染色指针：

ZGC的一个核心概念就是染色指针，这里是借用一个形象的说法，并非是真的给指针“染色”，它是指在GC时标记哪些对象是可回收的，即GC Roots过程。传统HopSpot虚拟机的标记实现方案是直接将标记记录在对象头部信息上，再把标记信息记录在与对象相互独立的数据结构上，如G1的Remembered Set。而ZGC是直接把标记信息记录在引用对象的指针上，这是一种直接将少量的额外信息存储在指针上的技术。目前在64位的Linux系统中，高18位预留不能使用，剩余的46位最大可支持64TB的内存空间。

ZGC将46位中的高4位取出来，用于存储染色标识信息（Finalizable、Remapped、Marked1、Marked0），用剩余的42位地址来管理4TB内存空间。

1、Finalizable：表示对象是否只能通过finalize()方法访问，其他途径是访问不了的

2、Remapped：表示对象是否已被重新映射，即是否已指向新的地址

3、Marked1、Marked0：表示对象的三色标记状态，对象是否已被标记

之所以使用两个Marked0和Marked1标记，是因为每个GC周期开启时，会交换使用的标记位。