JVM垃圾收集器四：ZGC与颜色指针详解

一、简介

ZGC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垃圾收集器。

ZGC是一款JDK 11中新加入的具有实验性质的低延迟垃圾收集器，ZGC可以说源自于是Azul System公司开发的C4（Concurrent Continuously Compacting Collector） 收集器。

ZGC的Region可以分为三种：小型Region、 中型Region、 大型Region：

• 小型Region（Small Region） ： 容量固定为2MB， 用于放置小于256KB的对象。

• 中型Region（Medium 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及以上的大对象。 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。

  大型Region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器阶段， 稍后会介绍到）， 因为复制一个大对象的代价非常高昂。

二、垃圾回收过程

ZGC的收集过程主要分为四个阶段：

• 并发标记（Concurrent Mark）

  和G1相同的是，并发标记是遍历对象图做可达性分析的阶段，它的初始标记(Mark Start)和最终标记(Mark End)也会出现短暂的停顿。

  和G1不同的是， ZGC的标记是在指针上而不是在对象头上进行的， 并发标记阶段会更新颜色指针(见下面详解)中的Marked 0、 Marked 1标志位。

• 并发预备重分配（Concurrent Prepare for Relocate）

  这个阶段需要根据特定的查询条件统计出本次收集过程要清理哪些Region，将这些Region组成重分配集（Relocation Set）。ZGC每次回收都会扫描所有的Region，用范围更大的扫描成本换取省去G1中记忆集的维护成本。

• 并发重分配（Concurrent Relocate）

  这个阶段需要把重分配集中的存活对象复制到新的Region中，并且为重分配集中的每个Region维护了一个转发表（Forward Table），记录从旧对象到新对象的转向关系。

  ZGC仅从引用上就能明确得知一个对象是否处于重分配集之中，如果此时用户线程并发访问了位于重分配集中的对象，那么这次访问将会被读屏障所截获，然后立即根据Region上的转发表记录将访问转发到新复制的对象上，并同时修正更新该引用的值，使其直接指向新对象，ZGC将这种行为称为指针的“自愈”（Self-Healing）能力。

  ZGC的颜色指针因为“自愈”（Self-Healing）能力，所以只有第一次访问旧对象会变慢， 一旦重分配集中某个Region的存活对象都复制完毕后， 这个Region就可以立即释放用于新对象的分配，但是转发表还得留着不能释放掉， 因为可能还有访问在使用这个转发表。

• 并发重映射（Concurrent Remap）

  重映射是为了修正整个堆中指向重分配集中旧对象的所有引用，但是ZGC中的对象引用存在“自愈”功能，所以这个重映射操作并不是很迫切。

  ZGC很巧妙地把这一阶段要做的工作，合并到了下一次的并发标记阶段，反正它们都是要遍历所有对象的，这样也就减少了一次遍历对象图的开销。一旦所有指针都被修正之后， 那么Region中的转发表就可以释放掉了。

三、颜色指针

颜色指针(Colored Pointers)，是ZGC的核心设计之一。以前的垃圾回收器将GC信息保存在对象头中，而ZGC将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：

• 18位：预留给以后使用；
• 1位：Finalizable标识，与并发引用处理有关，表示这个对象只能通过finalizer才能访问；
• 1位：Remapped标识，设置此位的值后，表示对象已重映射，不再指向relocation set（relocation set表示需要GC的Region集合）；
• 1位：Marked1标识；
• 1位：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mark0, 则周期结束所有引用mark标记都会成为01。

GC周期2：使用mark1, 则期待的mark标记10，所有引用都能被重新标记。

通过对配置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. 一个Region中的所有存活对象都被移走后，这个Region就可以被立即释放掉，因为它还有转发表。理论上，只要还有一个Region空闲，ZGC就能完成垃圾收集工作。
2. 颜色指针有指针的“自愈”（Self-Healing）能力，这样子就减少了写屏障（例如三色标记中的增量更新或原始快照），只需要一个读屏障就可以解决问题，减少了内存屏障的使用数量。
3. 颜色指针有着极大的扩展性，因为还有18位未使用，更有利于后续功能的扩展。

参考文章：https://wiki.openjdk.java.net/display/zgc/Main

http://cr.openjdk.java.net/~pliden/slides/ZGC-Jfokus-2018.pdf