JVM垃圾回收器-ZGC

一、概述

ZGC（Z Garbage Collector）是一种高效且可扩展的低延迟垃圾回收器。在垃圾回收过程中，ZGC通过优化算法和硬件支持，将Stop-The-World（STW）时间控制在一毫秒以内，使其成为追求低延迟应用的理想选择。此外，ZGC支持灵活的堆大小配置，从几百兆到16TB的堆大小均可轻松应对，且堆大小对STW时间的影响微乎其微。

二、G1机制

G1的STW时间具体包括以下几个步骤：

• 初始标记（Initial Mark）：STW阶段，采用三色标记法快速标记从GC Root直接可达的对象。此阶段的STW时间通常非常短暂。
• 并发标记（Concurrent Mark）：并发执行阶段，对存活对象进行标记。这个阶段允许用户线程和GC线程同时工作，从而减少了STW时间。
• 最终标记（Final Mark）：STW阶段，处理SATB（Snapshot-At-The-Beginning）相关的对象标记。此阶段的STW时间同样较短。
• 清理（Cleanup）：STW阶段，如果某个区域中没有存活对象，则直接清理该区域。此阶段的STW时间也较短。
• 转移（Copy）：将存活对象复制到其他区域。STW时间较长的阶段，因为它涉及对象的复制和引用更新。

三、G1缺点

G1转移时需要停顿，STW时间较长。因为如果不STW，会出现数据不一致。

举例：假设对象A引用了对象C，在转移过程中，C对象被复制到新的区域。如果此时用户线程修改了A对象的某个属性，但实际上这个修改是针对转移前的C对象。当转移完成后，A对象的引用被更新为指向新的C对象，但此时获取属性仍是原来的旧值，因为修改是在转移前进行的。这种不一致性会导致数据错误。

为了解决这个问题，G1垃圾回收器在转移过程中需要暂停用户线程，确保转移操作的原子性和正确性。然而，ZGC和Shenandoah等新型垃圾回收器解决了这一问题，使得转移过程也能够并发执行，从而进一步提高了性能。

四、ZGC核心技术

1.读屏障（Load Barrier）

在ZGC中，采用了读屏障（Load Barrier）技术来处理对象引用的获取。当尝试获取一个对象引用时，读屏障会检查该引用是否指向了转移后的对象。如果不是，用户线程会将引用更新为指向转移后的对象。这样就可以直接修改转移后的对象的属性。

2.着色指针（Colored Pointers）

着色指针的设计将原本8字节的地址指针巧妙地拆分成了三个部分：

• 低44位地址：用于直接表示对象的内存地址，这个范围足够覆盖大多数应用程序所使用的内存空间，最多可以表示16TB的内存。
• 中间4位颜色位：这四位用于存储关于对象状态的信息。每一位只能存储0或1，并且同一时间只有一位可以是1。不同的位代表不同的状态
• 高16位未使用：这些位在当前实现中未被使用，但为未来扩展提供了空间
  

终结位：当设置时，表示该对象只能通过终结器（Finalizer）进行访问。

重映射位（Remap）：表示在垃圾收集转移过程后，对象的引用关系已经更新。

Marked0和Marked1：用于标记对象是否可达，是垃圾收集过程中的重要标识。

五、ZGC的内存划分

与G1不同的是，ZGC对Zpage的划分更加精细，旨在实现更精确的内存管理和控制，从而进一步减少垃圾回收过程中的停顿时间。ZGC的Zpage可以分为三类，分别是小区域、中区域和大区域，它们各自具有不同的容量和用途：

• 小区域（Small Zpage）：每个小区域的大小为2MB，专门用于存放小型对象，即大小不超过256KB的对象。这种划分方式有助于减少内存碎片，并提高内存利用率。
• 中区域（Medium Zpage）：每个中区域的大小为32MB，用于存放中等大小的对象，即大小在256KB到4MB之间的对象。中区域的引入进一步扩展了ZGC的适用范围，使其能够处理更大规模的内存需求。
• 大区域（Large Zpage）：大区域的大小则根据实际需求动态分配，每个大区域只保存一个大于4MB的大型对象。这种设计允许ZGC在必要时为大型对象提供足够的连续内存空间。