Oracle即将发布的全新Java垃圾收集器 ZGC
Java 11的特性集合已經確定，其中包含了一些非常棒的特性。新版本提供了一個全新的垃圾回收器ZGC，它由甲骨文開發，承諾在TB級別的堆上實現非常低的停頓時間。在本文中，我們將介紹甲骨文開發ZGC的動機、ZGC的技術概覽以及ZGC帶來的一些非常令人興奮的可能性。
\\那么為什么要開發ZGC？畢竟Java 10中已經帶有4款久經考驗的垃圾回收器。Hotspot最新的垃圾回收器G1是在2006年推出的。當時最大的AWS實例是m1.small，配備1個vCPU和1.7GB內存，而到了今天，AWS提供了x1e.32xlarge實例，配備了128個vCPU和令人難以置信的3,904GB內存。ZGC所針對的是這些在未來普遍存在的大容量內存：TB級別的堆容量，具有很低的停頓時間（小于10毫秒），對整體應用性能的影響也很小（對吞吐量的影響低于15％）。ZGC所采用的機制也可以在未來進行擴展，以支持一些令人興奮的特性，如多層堆（用于熱對象的DRAM和用于低頻訪問對象的NVMe閃存）或壓縮堆。
\\GC術語
\\要了解ZGC在現有垃圾回收器中所處的位置，以及它是如何達到這個位置的，我們先需要先了解一些術語。最基本的GC包括識別出不再使用的內存，并將其變為可用的?，F代垃圾回收器通常分幾個階段來完成回收過程，如下所示：
\\- 并行（Parallel）——運行中的JVM包含應用程序線程和GC線程。在并行階段，會運行多個GC線程，也就是說任務被拆分給它們去完成。至于GC線程是否可以與正在運行的應用程序線程重疊，這個在規范中并沒有特別說明。\\t
- 串行（Serial）——串行階段只有單個GC線程在運行。與上面的并行階段一樣，規范中也沒有說明GC線程是否可以與當前運行的應用程序線程重疊。\\t
- Stop The World（STW）——在這個階段，應用程序線程被暫停，讓GC線程執行它們的任務。當你遇到GC停頓時，說明虛擬機進入了STW階段。\\t
- 并發（Concurrent）——在并發階段，GC線程可以在運行應用程序線程的同時執行自己的任務。并發階段非常復雜，因為應用程序線程有可能在GC完成之前將其中斷。\\t
- 增量（Incremental）——在增量階段，它可以運行一段時間，并基于某些條件提前終止，例如時間預算或執行更高優先級的GC階段。\
權衡取舍
\\需要指出的是，所有這些屬性都存在權衡。例如，并行階段將利用多個GC線程來執行任務，但這樣做會導致協調線程的開銷。同樣，并發階段不會暫停應用程序線程，但可能涉及更多的開銷和復雜性。
\\ZGC
\\在了解了GC不同階段的屬性后，現在讓我們來探討ZGC的工作原理。ZGC使用了兩項新技術：彩色指針和加載屏障。
\\指針著色
\\指針著色是將信息存儲在指針（或引用）中的一種技術。這是有可能的，因為在64位平臺上（ZGC僅支持64位），指針可以處理比系統實際擁有的內存更大的內存，因此可以使用多余的位來存儲狀態。ZGC將堆限制為4TB，需要42位，剩下的22位當中目前已經使用了4位：finalizable、remap、mark0和mark1。
\\不過，指針著色也存在一個問題，當你想要取消引用指針時，需要做額外的工作，因為你需要屏蔽掉信息位。SPARC平臺已經為指針屏蔽提供了內置硬件支持，所以這不是什么問題。但x86平臺還沒有提供類似的支持，所以ZGC團隊針對x86平臺使用了多次映射技術。
\\多次映射
\\要了解多映射的工作原理，我們需要先簡要地解釋一下虛擬內存和物理內存之間的區別。物理內存是系統可用的實際內存，也就是DRAM芯片的容量。虛擬內存是抽象的，對于應用程序來說，它們有自己的物理內存試圖（通常是隔離的）。操作系統負責維護虛擬內存和物理內存之間的映射，通過使用頁表和處理器的內存管理單元（MMU）以及轉換后備緩沖區（TLB，用于轉換應用程序的請求地址）來實現。
\\多次映射技術將不同范圍的虛擬內存映射到同一物理內存上。在remap、mark0和mark1當中，同一時間點只能有一個為1，因此可以使用三個映射。ZGC源代碼中提供了一個很直觀的圖表（http://hg.openjdk.java.net/zgc/zgc/file/59c07aef65ac/src/hotspot/os_cpu/linux_x86/zGlobals_linux_x86.hpp#l39）。
\\加載屏障
\\加載屏障是一小段代碼，當應用程序線程從堆加載引用時就會運行這段代碼（即訪問對象的非原始類型字段）：
\\\void printName( Person person ) {\ String name = person.name; // 將會觸發加載屏障，因為從堆中加載了一個引用\ System.out.println(name); // 沒有直接使用加載屏障\}\\第一行代碼是給變量name賦值，這需要跟蹤堆上的person引用，然后再加載name引用。這個時候會觸發加載屏障。第二行代碼在屏幕上打印name，不會直接觸發加載屏障，因為不需要加載堆引用——name是局部變量，因此不需要從堆加載引用。不過，System和out，或者println內部可能會觸發其他加載屏障。
\\這與其他垃圾回收器（例如G1）使用的寫入屏障形成對比。加載屏障的任務是檢查引用的狀態，并在將引用（或者不同的引用）返回給應用程序之前執行一些任務。在ZGC中，它會對加載的引用進行測試，查看是否設置了某些位，具體取決于當前處于哪個階段。如果引用通過測試，就不執行任何其他操作，如果沒有通過，就會在將引用返回給應用程序之前執行一些特定于當前階段的操作。
\\標記
\\在了解了這兩項新技術后，現在讓我們來看看ZGC的GC周期。GC周期的第一部分是標記，就是以某種方式查找并標記應用程序可以訪問到的所有堆對象，換句話說，就是查找非垃圾對象。
\\ZGC的標記分為三個階段。第一階段是STW，在這一階段，GC root被標記為存活。GC root類似于局部變量，應用程序使用它們來訪問堆上的其他對象。從GC root開始遍歷對象圖，如果某些對象無法被訪問到，那么應用程序也就無法訪問到這些對象，它們就被認為是垃圾?？梢詮腉C root訪問到的對象集被稱為存活集。GC root標記步驟所需要的時間非常短，因為GC root的總量通常相對較少。
\\\\標記階段完成后，應用程序恢復運行，而ZGC將開始下一階段，發遍歷對象圖，并標記所有可訪問的對象。在這一階段，加載屏障會檢查所有已加載的引用，看看它們的掩碼是否已經針對這一階段進行過標記，如果尚未標記，就將其添加到待標記隊列。
\\在完成這一步后，會出現一個短暫的STW階段，它會處理一些邊緣情況，然后整個標記過程就完成了。
\\重定位
\\GC周期的下一個主要部分是重定位。重定位就是要移動存活對象，以便釋放部分堆空間。為什么要移動對象而不是填補空隙？有些GC確實是這樣做的，但這樣會造成不好的后果，即堆分配將變得非常昂貴，因為在分配堆空間時，分配器需要找到放置對象的空閑空間。相反，如果可以釋放大塊內存，堆空間分配就會變得很簡單，只需要將指針按照對象所需的內存量進行遞增就可以了。
\\ZGC將堆分成頁，在開始進行重定位時，它會選擇一組需要重新定位的存活對象的頁。在選擇好重定位集后，會出現一次STW停頓，ZGC對重定位集中的對象進行重定位，并重新映射它們對新地址的引用。與之前的STW一樣，停頓時間取決于root的數量以及重定位集與存活集的比率，這個比率通常都很小。它不會隨著堆大小的變化而變化，這與其他大部分垃圾回收器一樣。
\\移動完root之后，下一階段是進行并發重定位。在這個階段，GC線程遍歷重定位集，并重新定位頁中的所有對象。如果應用程序線程嘗試加載重定位集中的對象，但這些對象還未被重定位，那么應用程序線程也可以對它們進行重定位，這是通過加載屏障來實現的，如下面的流程圖所示：
\\\\這樣可以確保應用程序看到的所有引用都是最新的，并且應用程序不會對正在被重定位的對象做任何操作。
\\GC線程最終會重定位重定位集中的所有對象，不過仍然可能存在一些指向這些對象舊地址的引用。GC會遍歷對象圖，并將所有這些引用重新映射到新的地址上，但這是一個非常昂貴的步驟。所以，這一步被并入到下一個標記階段。在標記期間，如果發現未重新映射的引用，則將其重新映射，并標記為存活。
\\回顧
\\試圖單獨理解復雜的垃圾回收器（如ZGC）性能特征是很困難的，但有一點是很清楚的，我們在文中所提到的GC停頓都與GC root有關，而與存活對象集、堆大小或垃圾對象沒有關系。標記階段的最后一次停頓是一個例外，它是增量進行的，而且如果超過時間預算，GC將恢復到并發標記，直到下一次進行嘗試。
\\性能
\\那么ZGC的性能如何？ZGC的SPECjbb 2015吞吐量數據與Parallel GC（為吞吐量進行過優化）大致相當，平均停頓時間為1毫秒，最長為4毫秒。這與平均停頓時間超過200毫秒的G1和Parallel形成鮮明的對比。
\\未來的可能性
\\彩色指針和加載屏障為我們帶來了一些有趣的未來可能性。
\\多層堆和壓縮
\\隨著閃存和非易失性內存變得越來越普及，JVM的多層堆將成為可能，在多層堆中，很少被訪問的存活對象將被保存在較慢的內存層中。
\\我們可以對指針元數據進行擴展，加入一些計數器位，并使用這些位信息來決定是否需要移動對象。在需要使用對象的時候，可以通過加載屏障從相應的內存層獲取對象。
\\或者也可以不將對象重定位到較慢的內存層，而是將對象保存在主內存中，不過需要對其進行壓縮。在請求對象時，通過加載屏障解對其進行解壓并分配到堆中。
\\ZGC的狀態
\\在撰寫本文時，ZGC還處在實驗階段。讀者可以通過Java 11 Early Access版本（http://jdk.java.net/11/）來體驗ZGC，但需要指出的是，要解決一個新垃圾回收器存在的所有問題可能需要很長的一段時間。G1從發布到脫離實驗階段花了至少三年時間。
\\總結
\\服務器擁有數百GB甚至是數TB的內存變得越來越普及，Java有效使用內存堆的能力變得越來越重要。ZGC是一個令人興奮的新型垃圾回收器，致力于大幅降低大堆垃圾回收的停頓時間。它通過使用彩色指針和加載屏障來實現這一點，它們都是Hotspot新引入的GC技術，并帶來了一些有趣的未來可能性。ZGC將作為Java 11的實驗性垃圾回收器，讀者現在可以通過Java 11 Early Access體驗ZGC。
\\英文原文：https://www.opsian.com/blog/javas-new-zgc-is-very-exciting/
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Oracle即将发布的全新Java垃圾收集器 ZGC的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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