JVM 收集器之 ZGC

1、前言

上篇我们说了 G1，G1 有很多创建，比如分 region 收集，并发标记等，G1 运行的流程如图所示：

G1 运行流程

从上图可知，G1 在虽然在初始标记、最终标记是 STW 的，但是因为时间很短，所以忽略不计；可是在筛选回收的时候也是 STW，而复制标记后存活的对象耗时较长，所以 G1 主要的耗时在这里。为什么转移阶段不能和标记阶段一样并发执行呢？主要是G1未能解决转移过程中准确定位对象地址的问题。而 ZGC 实现了并发回收，所以停顿时间很短。

2、概念

ZGC 也采用基于 Region 的堆内存布局，但与 G1 不同的是， ZGC 的 Region 具有动态性，也就是可以动态创建和销毁，容量大小也是动态的，有大、中、小三类容量：

ZGC 的 region

• 小型 Region (Small Region)：容量固定为 2MB，用于放置小于 256KB 的小对象。
• 中型 Region (M edium Region)：容量固定为 32MB，用于放置大于等于 256KB 但小于 4MB 的对 象。
• 大型 Region (Large Region)：容量不固定，可以动态变化，但必须为 2MB 的整数倍，用于放置 4MB 或以上的大对象。每个大型 Region 中只会存放一个大对象，这也预示着虽然名字叫作“大型 Region”，但它的实际容量完全有可能小于中型 Region，最小容量可低至 4MB。

ZGC通过着色指针和读屏障技术，解决了转移过程中准确访问对象的问题，实现了并发转移。大致原理描述如下：并发转移中“并发”意味着GC线程在转移对象的过程中，应用线程也在不停地访问对象。假设对象发生转移，但对象地址未及时更新，那么应用线程可能访问到旧地址，从而造成错误。而在ZGC中，应用线程访问对象将触发“读屏障”，如果发现对象被移动了，那么“读屏障”会把读出来的指针更新到对象的新地址上，这样应用线程始终访问的都是对象的新地址。那么，JVM是如何判断对象被移动过呢？就是利用对象引用的地址，即着色指针。下面介绍着色指针和读屏障技术细节。

着色指针：着色指针是一种将信息存储在指针中的技术。

着色指针

• Marked0 /Marked1：标记位，标记对象是否可用，
• Remapped：记录对象是否进入过重分配集（对象是否移动过）
• Finalizable：标记对象是否只能通过fnalize()访问

当应用程序创建对象时，首先在堆空间申请一个虚拟地址，但该虚拟地址并不会映射到真正的物理地址。ZGC同时会为该对象在M0、M1和Remapped地址空间分别申请一个虚拟地址，且这三个虚拟地址对应同一个物理地址，但这三个空间在同一时间有且只有一个空间有效。

读屏障：读屏障是JVM向应用代码插入一小段代码的技术。当应用线程从堆中读取对象引用时，就会执行这段代码。

3、流程

接下来详细介绍ZGC一次垃圾回收周期中地址视图的切换过程：

• 初始化：ZGC初始化之后，整个内存空间的地址视图被设置为 Remapped。程序正常运行，在内存中分配对象，满足一定条件后垃圾回收启动，此时进入标记阶段。
• 并发标记阶段：第一次进入标记阶段时视图为 M0，如果对象被 GC 标记线程或者应用线程访问过，那么就将对象的地址视图从 Remapped 调整为 M0。所以，在标记阶段结束之后，对象的地址要么是 M0 视图，要么是 Remapped。如果对象的地址是 M0 视图，那么说明对象是活跃的；如果对象的地址是 Remapped 视图，说明对象是不活跃的。
• 并发转移阶段：标记结束后就进入转移阶段，此时地址视图再次被设置为 Remapped。如果对象被GC 转移线程或者应用线程访问过，那么就将对象的地址视图从 M0 调整为 Remapped。

其实，在标记阶段存在两个地址视图 M0 和 M1，上面的过程显示只用了一个地址视图。之所以设计成两个，是为了区别前一次标记和当前标记。也即，第二次进入并发标记阶段后，地址视图调整为 M1，而非 M0。

流程

简单的说就是 M1 标识本次垃圾回收中活跃的对象，而 M0 是上一次回收被标记的对象，但是没有被转移，在本次回收中也没有被标记活跃的对象。其实从上面的分析以及得知，如果没有被转移就会停留在 M0 这个地址视图。而下一次 GC 如果还是用 M0 来标识那混淆了这两种对象。

综上所述：染色指针是判断对象是否活跃，然后再判断是否需要转移的标志。而读屏障是为了在并发转移的过程中，应用线程读取到转移后对象，可以提前根据转移表更正染色指针指向的地址，让应用线程读取到新对象。

4、结论

并发转移中“并发”意味着GC线程在转移对象的过程中，应用线程也在不停地访问对象。假设对象发生转移，但对象地址未及时更新，那么应用线程可能访问到旧地址，从而造成错误。而在ZGC中，应用线程访问对象将触发“读屏障”，如果发现对象被移动了，那么“读屏障”会把读出来的指针更新到对象的新地址上，这样应用线程始终访问的都是对象的新地址。那么，JVM是如何判断对象被移动过呢？就是利用对象引用的地址，即着色指针。

5、参考资料

https://tech.meituan.com/2020/08/06/new-zgc-practice-in-meituan.html