ZGC【Java】

简介

ZGC是自JDK11中开始推出的一款垃圾回收器，ZGC的主要特点是支持大内存（大达16TB），低延迟（低至10ms）。

ZGC的堆内存和G1类似，也是基于 Region 来分布，但是 ZGC 抛弃了分代的概念，不再区分新生代和老年代。而且 ZGC 的 Region 支持动态创建和销毁，ZGC 中的 Region 大小分为三种类型：

小对象区（Small Region），默认2MB，用于放置小于 256 KB 的对象。

中等对象区（Medium Region），主要用于放置大小在 256 KB 和 4 MB 之间的对象，默认大小是32M。

对于大于32M的对象，会被放入Large Region，Large Region每个Region只会放值一个对象，为了对齐，所以Region的大小必须是2MB的倍数，Large Region的最小内存是4MB。

ZGC使用多重映射和染色指针实现垃圾回收。

原理

ZGC不再区分新生代和老年代，垃圾回收的过程中分为标记阶段和转移阶段。

标记算法

标记过程可以分为初始标记，并发标记和重新标记。

初始标记阶段是STW（Stop The World，暂停所有业务线程）的，因为初始标记阶段是将和GC root直接关联的对象进行标记，所以该阶段需要一个静态的快照，也就是需要STW。

初始标记完成之后，标记工作就可以和业务线程同时进行了。并行标记的一般采用三色标记的方式进行标记，三色标记是指在标记过程中将对象分为白色，黑色，灰色三种。


颜色	定义
黑色	对象自身扫描完成，并且完成了该对象所有引用的标记动作。
灰色	对象自身扫描完成，对象所引用的对象至少还有一个未标记完成，当标记完成之后变成黑色。灰色是中间状态，当垃圾回收结束的时候只有白黑两种颜色。
白色	没有被垃圾回收扫描过，当扫描结束的时候白色对象可以被回收。

三色标记的过程如下：

初始阶段所有的对象都是白色。

初始标记完成之后将GC Roots直接关联的对象置为灰色。

遍历灰色对象的所有引用，当所有引用被标记完成之后，灰色对象置为黑色，该对象引用的对象置为黑色，重复该过程，直到所有的对象都变成黑色。

当标记过程结束，白色对象可以被回收。

三色标记算法有三类问题，多标问题，漏标问题，以及新对象的问题。

多标问题是指在垃圾回收过程中该对象是扫描到被引用的，但是过程中断开了所有的引用，此时该对象已经是事实的垃圾，但是被标记为黑色，也就是多标问题。

多标问题关联的对象一般称为浮动垃圾，其不影响垃圾回收的正确性，可以在下次垃圾回收的时候进行清理。

漏标问题是指在垃圾回收过程中，该对象被灰色对象引用，但是过程中灰色对象到该对象的引用断开，而同时又有黑色对象引用了该对象，黑色对象因为不会再进行引用对象的标记，该对象就不能被正确扫描，从而被漏标。

漏标问题一般有两种方式解决，原始快照和增量更新。

原始快照是断开灰色对象和其他对象链接的时候，会把该关联关系保存下来，扫描结束之后，使用这条关系的快照重新将该对象进行标记。

增量更新是指当黑色节点指向其他对象的时候，将这个新增的引用关系保存下来，扫描结束的时候，再重新扫描该黑色对象节点。

重新标记阶段主要是为了修正并发标记阶段的漏标问题。该阶段也需要STW。

染色指针

因为对象需要区分是活跃对象还是待回收对象，活跃对象就是有被引用的对象。

如何标识这些对象是否需要清理，不同的GC实现有不同的方式：

Serial等垃圾收集器把标记记录在对象的头部。
G1等垃圾收集器使用BitMap记录标记信息，BitMap需要额外的内存空间，一般占堆内存1/64。
ZGC使用染色指针进行记录标记。

目前的计算机体系结构例如AMD64架构中只支持48位（256TB）的虚拟地址空间，所以对于64位的硬件结构而言，使用低48位的地址就可以满足虚拟地址空间的寻址需求，ZGC的染色指针技术利用64位地址剩余的寻址无关的高位中的4位存储了四个标志位。指针中的这些标志位可以表达三色标记的信息，移动的信息以及是否只能通过finalize()方法才能被访问到。

因为 ZGC 的过程不需要访问对象就可以获取标记信息对GC的效率有较大的提升。

ZGC 的染色指针使用了地址指针来表达信息，其使用了虚拟内存映射技术，把同一个物理内存地址可以映射为 Marked0、Marked1 和 Remapped 三个虚拟内存空间。应用程序创建对象会在堆上申请一个虚拟地址，这时 ZGC 会同时在 Marked0、Marked1 和 Remapped 这三个视图空间为这个对象分别申请一个虚拟地址，这三个虚拟地址同时映射到对象实际的物理空间。

Marked0、Marked1 和 Remapped 作为 ZGC 的三个视图空间，在不同的时间周期内只有一个生效。ZGC 通过这三个视图空间的切换，来进行垃圾标记的记录工作。

在标记阶段开始的时候，全局视图切换到 M0 视图，类似于三色标记开始的时候将所有对象置为白色。

标记的过程中，新生成的对象，应用程序使用的对象，或者GC线程标记的对象都会置为 M0 视图。

在标记结束时，如果对象的地址视图是M0，说明对象是活跃的，反正如果对象的地址视图是Remapped，说明对象是已经不再被引用，可以回收其占用的内存空间。

在转移阶段 ZGC 会切换到 Remapped 视图。将对象地址空间是 M0 的对象进行转移。

因为在上一轮垃圾收集还未结束的时候，可能会启动新一轮的垃圾收集，此时 M0 的对象可能还未被转移完毕，所以 M1 的地址视图用来标识此轮垃圾回收中的对象视图，此时 M0 标识前一次垃圾回收的标记阶段被标记过的活跃对象，对象在转移阶段未被转移，但是在本次垃圾回收中该对象已经不再被引用。

收集算法

ZGC 也使用复制算法进行垃圾回收。