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概览
ZGC 在 JDK11 中作为实验性功能引入后,已经经过了 5 个版本的演进,目前较之前版本有了较大的变化。本文将分析 ZGC 的设计思想和原理。
ZGC 主要设计理念如下:
ZGC 为了支持 TB 级内存,采用了基于 Page 的分页管理(类似于 G1 的 Region)。
同时,为了加快内存访问速度,快速的进行并发标记和 relocate,ZGC 新引入了 Color Pointers;Color Pointers 与 Shenandoah GC 使用的 Brooks Pointers 机制不同,依赖内核提供的多视图映射,因此仅能支持部分操作系统的 64 位版本,适用性不如 Shenandoah GC,同时也无法支持指针压缩 CompressedOops。
另外,为了高效内存管理,设计了两级内存管理系统。
内存管理
指针结构
zGlobals_x86.cpp
// Address Space & Pointer Layout 3
// --------------------------------
//
// +--------------------------------+ 0x00007FFFFFFFFFFF (127TB)
// . .
// . .
// . .
// +--------------------------------+ 0x0000500000000000 (80TB)
// | Remapped View |
// +--------------------------------+ 0x0000400000000000 (64TB)
// . .
// +--------------------------------+ 0x0000300000000000 (48TB)
// | Marked1 View |
// +--------------------------------+ 0x0000200000000000 (32TB)
// | Marked0 View |
// +--------------------------------+ 0x0000100000000000 (16TB)
// . .
// +--------------------------------+ 0x0000000000000000
//
// 6 4 4 4 4
// 3 8 7 4 3 0
// +------------------+----+-------------------------------------------------+
// |00000000 00000000 |1111|1111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111|
// +------------------+----+-------------------------------------------------+
// | | |
// | | * 43-0 Object Offset (44-bits, 16TB address space)
// | |
// | * 47-44 Metadata Bits (4-bits) 0001 = Marked0 (Address view 16-32TB)
// | 0010 = Marked1 (Address view 32-48TB)
// | 0100 = Remapped (Address view 64-80TB)
// | 1000 = Finalizable (Address view N/A)
// |
// * 63-48 Fixed (16-bits, always zero)
//
ZGC 指针布局有三种方式,分别用于支持 4TB、8TB、16TB 的堆空间,以上代码用于为 layout 3 支持 16TB 的布局;
43-0 bit 对象地址;
47-44 对象视图,分为三种对象视图:
Marked0、Marked1
Remapped
x86 和 aarch64 架构下最多仅支持 48 位指针,主要是因为硬件限制。通常为了节约成本,64 位处理器地址线一般仅 40-50 条,因此寻址范围远不及 64 位的理论值。
多视图
ZGC 将同一段物理内存映射到 3 个不同的虚拟内存视图,分别为 Marked0、Marked1、Remapped,这即是 ZGC 中的 Color Pointers,通过 Color Pointers 区分不同的 GC 阶段。
映射
ZGC 的多视图映射依赖于内核提供的 mmap 方法,具体代码如下
zPhysicalMemory.hpp, zPhysicalMemory.cpp, zPhysicalMemoryBacking_linux.cpp
// 物理内存管理类
class ZPhysicalMemory {
private:
ZArray<ZPhysicalMemorySegment> _segments;
void insert_segment(int index, uintptr_t start, size_t size, bool committed);
void replace_segment(int index, uintptr_t start, size_t size, bool committed);
void remove_segment(int index);
public:
ZPhysicalMemory();
ZPhysicalMemory(const ZPhysicalMemorySegment& segment);
ZPhysicalMemory(const ZPhysicalMemory& pmem);
const ZPhysicalMemory& operator=(const ZPhysicalMemory& pmem);
bool is_null() const;
size_t size() const;
int nsegments() const;
const ZPhysicalMemorySegment& segment(int index) const;
void add_segments(const ZPhysicalMemory& pmem);
void remove_segments();
void add_segment(const ZPhysicalMemorySegment& segment);
bool commit_segment(int index, size_t size);
bool uncommit_segment(int index, size_t size);
ZPhysicalMemory split(size_t size);
ZPhysicalMemory split_committed();
};
// 将三个虚拟内存视图映射到同一物理内存
// 在JDK14中增加了对于ZVerifyViews JVM参数的支持(https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8232604)
void ZPhysicalMemoryManager::map(uintptr_t offset, const ZPhysicalMemory& pmem) const {
const size_t size = pmem.size();
if (ZVerifyViews) {
// Map good view
map_view(ZAddress::good(offset), pmem);
} else {
// Map all views
map_view(ZAddress::marked0(offset), pmem);
map_view(ZAddress::marked1(offset), pmem);
map_view(ZAddress::remapped(offset), pmem);
}
nmt_commit(offset, size);
}
void ZPhysicalMemoryManager::map_view(uintptr_t addr, const ZPhysicalMemory& pmem) const {
size_t size = 0;
// 逐个映射物理内存
// ZGC中使用segment管理物理内存,后续文章将详细介绍
for (int i = 0; i < pmem.nsegments(); i++) {
const ZPhysicalMemorySegment& segment = pmem.segment(i);
_backing.map(addr + size, segment.size(), segment.start());
size += segment.size();
}
// Setup NUMA interleaving for large pages
if (ZNUMA::is_enabled() && ZLargePages::is_explicit()) {
// To get granule-level NUMA interleaving when using large pages,
// we simply let the kernel interleave the memory for us at page
// fault time.
os::numa_make_global((char*)addr, size);
}
}
// 最终对于map的调用
// 对于linux系统,调用mmap进行映射
void ZPhysicalMemoryBacking::map(uintptr_t addr, size_t size, uintptr_t offset) const {
// 可读、可写、修改共享
// 如果参数start所指的地址无法成功建立映射时,则放弃映射,不对地址做修正。
const void* const res = mmap((void*)addr, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_FIXED|MAP_SHARED, _fd, offset);
if (res == MAP_FAILED) {
ZErrno err;
fatal("Failed to map memory (%s)", err.to_string());
}
}
ZPhysicalMemory 是 ZGC 对于物理内存管理的抽象,收敛 ZGC 对于物理内存的访问。
ZPhysicalMemory 底层根据宿主操作系统调用不同的 ZPhysicalMemoryBacking 实现,进行多视图映射。
物理内存管理
ZGC 对于物理内存的管理主要在 ZPhysicalMemory 类中,此处需要注意,ZGC 上下文中的物理内存,不是真正的物理内存,而是操作系统虚拟内存。

ZGC 中管理物理内存的基本单位是 segment。segment 默认与 small page size 一样,都是 2MB。引入 segment 是为了避免频繁的申请和释放内存的系统调用,一次申请 2MB,当 segment 空闲时,将加入空闲列表,等待之后重复使用。
zGlobals_x86.hpp
// 默认page size偏移量
const size_t ZPlatformGranuleSizeShift = 21; // 2MB