【JVM】垃圾收集器与GC日志(二)

垃圾收集器与GC日志

ZGC收集器(Z Garbage Collector,全并发、超低延迟 10ms)

ZGC是一款JDK11中新加入的具有实验性质的低延迟垃圾收集器，ZGC可以说源自于Azul System公司开发的C4(Concurrent Continuously Compacting Collector)收集器

参考文章：https://wiki.openjdk.java.net/display/zgc/Main
http://cr.openjdk.java.net/~pliden/slides/ZGC-Jfokus-2018.pdf

目标

• 1.支持TB量级的堆。一般生产环境的硬盘还没有上TB呢，这应该可以满足未来十年内，所有Java应用的需求了吧
• 2.最大GC停顿时间不超过10ms.目前一般线上环境运行良好的Java应用Minor GC停顿时间在10ms左右，Major GC一般都需要100ms以上(G1可以调节停顿时间，但是如果调的过低的话，反而会适得其反)，之所以能做到这一点是因为它的停顿时间主要跟Root扫描有关，而Root数量和堆大小是没有关系的
• 3.奠定未来GC特性的基础
• 4.最糟糕的情况下吞吐量会降低15%。这都不是事，停顿时间足够优秀。至于吞吐量，通过扩容分分钟解决。另外,Oracle官方提到了它的最大优点是:它的停顿时间不会随着堆的增大而增长！也就是说，几十G堆的停顿时间是10ms一下，几百G甚至上T堆的停顿时间也是10ms一下

不分代(暂时)

单代，即ZGC[没有分代]。我们知道以前的垃圾回收器之所以分代，是因为源于"[大部分对象朝生夕死]"的假设，事实上大部分系统的对象分配行为也确实符合这个假设，那么为什么ZGC就不分代呢？因为分代实现起来麻烦，作者就先实现出一个比较简单的单代版本。后续会优化

ZGC的内存布局

ZGC收集器是一款基于Region内存布局的，暂时不设分代的。使用了读屏障、颜色指针等技术来实现可并发的标记-整理算法的，以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。
ZGC的region可以具有如图所示的大、中、小三类容量:

• 1.小型Region(Small Region):容量固定为2MB,用户放置小于256KB的小对象(x < 256KB, x为对象大小)
• 2.中型Region(Medium Region):容量固定为32MB,用户放置大于等于256KB但小于4MB(256KB <= x < 4MB)
• 3.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做"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.大型Region在ZGC的实现中是不会被重分配的(重分配是ZGC的一种处理动作，用于复制对象的收集阶段)，因为复制一个大对象的代价非常高昂。

NUMA-aware

NUMA对应的有UMA,UMA即Uniform Memory Access Architecture,NUMA就是Non Uniform Memory Access Architecture.UMA标识内存只有一块，所有的CPU都去访问这一块内存，那么就会存在竞争问题(争夺内存总线访问权)，有金正就会有锁，有锁效率就会收到影响，而且CPU核心越多，竞争就越激烈。NUMA的话每个CPU对应有一块内存，且这块内存在主板上离这个CPU是最近的，每个CPU优先访问这块内存，那效率自然就提高了:
服务器的NUMA架构在中大型系统上一直非常盛行，也是高性能的解决方案，尤其在系统延迟方面表现都很优秀，ZGC是能自动感知NUMA架构并充分利用NUMA架构特性的

颜色指针

Colored Pointers，即颜色指针，如下图所示，ZGC的核心设计之一。以前的垃圾回收器的GC信息都保存在对象偷中，而ZGC的GC信息保存在指针中。
每个对象有一个64位指针，这64位被分为:
18Bit:预留给以后使用
1Bit:Finalizable标识，此位与并发引用处理有关，它表示这个对象只能通过finalizer才能访问
1Bit:Remapped标识，设置此位的值后，对象未指向relocation set中(relocation set标识需要GC的Region集合)
1Bit:Marked1标识
1B:Marked0标识，和上面的Marked1都是标记对象用于辅助GC
42位:对象的地址(所以它可以支持2^42 = 4T内存)

为什么有2个mark标记?
每一个GC周期开始时，会交换使用过的标记位，使上次GC周期中修正的已标记状态失效，所有引用都变成未标记。
GC周期1：使用mark 0,则周期结束后所有引用mark标记都会成为01
GC周期2：使用mark2,则期待的mark标记10，所有引用都能被重新标记

通过设置ZGC后对象指针分析我们可知，对象指针必须是64位，那么ZGC就无法支持32位操作系统，同样的也就无法支持压缩指针了(CompressedOops,压缩指针也是32位)。

颜色指针的三大优势:

• 1.一旦某个Region的存活对象被一走之后，这个Region立即就能够被释放和重用掉，而不必等待堆中所有指向该Region的引用都被修正后才能清理。这使得理论上只要还有一个空闲Region，ZGC就能完成收集
• 2.颜色指针可以大幅减少在垃圾收集过程中内存屏障的使用数量，ZGC只使用了读屏障
• 3.颜色指针具备强大的扩展性，它可以作为一种可扩展的存储结构用来记录更多与对象标记、重定位过程相关的数据，以便日后进一步提高性能

读屏障

之前的GC都是采用Write Barrier,这次ZGC采用了完全不同的方案读屏障，这个是ZGC一个非常重要的特性。在标记和移动对象的阶段，每次【从堆里对象的引用类型中读取一个指针】的时候，都需要加上一个Load Barrier.那么该如何理解它呢？看下面的代码，第一行代码我们尝试读取堆中的一个对象引用obj.fieldA并赋给引用o(fieldA也是一个对象时才会加上读屏障)。如果这时候对象在GC时被移动了，接下来JVM就会加上一个读屏障，这个屏障会把读出的指针更新到对象的新地址上，并且把堆里的这个指针"修正&#