Java最前沿技术——ZGC-技术圈

作者：CoderW

来源：SegmentFault 思否社区

ZGC介绍

ZGC（The Z Garbage Collector）是JDK 11中推出的一款追求极致低延迟的实验性质的垃圾收集器，它曾经设计目标包括：

停顿时间不超过10ms；
停顿时间不会随着堆的大小，或者活跃对象的大小而增加；
支持8MB~4TB级别的堆（未来支持16TB）。

当初，提出这个目标的时候，有很多人都觉得设计者在吹牛逼。

但今天看来，这些“吹下的牛逼”都在一个个被实现。

基于最新的JDK15来看，“停顿时间不超过10ms”和“支持16TB的堆”这两个目标已经实现，并且官方明确指出JDK15中的ZGC不再是实验性质的垃圾收集器，且建议投入生产了。

ZGC已经熟了，面试题还会远吗？

本文会从ZGC的设计思路出发，讲清楚为何ZGC能在低延时场景中的应用中有着如此卓越的表现。

核心技术

多重映射

为了能更好的理解ZGC的内存管理，我们先看一下这个例子：

你在你爸爸妈妈眼中是儿子，在你女朋友眼中是男朋友。在全世界人面前就是最帅的人。你还有一个名字，但名字也只是你的一个代号，并不是你本人。将这个关系画一张映射图表示：

在你爸爸的眼中，你就是儿子；
在你女朋友的眼中，你就说男朋友；
站在全世界角度来看，你就说世界上最帅的人；

假如你的名字是全世界唯一的，通过“你的名字”、“你爸爸的儿子”、“你女朋友的男朋友”，“世界上最帅的人”最后定位到的都是你本人。

现在我们再来看看ZGC的内存管理。

ZGC为了能高效、灵活地管理内存，实现了两级内存管理：虚拟内存和物理内存，并且实现了物理内存和虚拟内存的映射关系。这和操作系统中虚拟地址和物理地址设计思路基本一致。

当应用程序创建对象时，首先在堆空间申请一个虚拟地址，ZGC同时会为该对象在Marked0、Marked1和Remapped三个视图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。

图中的Marked0、Marked1和Remapped三个视图是什么意思呢？

对照上面的例子，这三个视图分别对应的就是"你爸爸眼中"，“你女朋友的眼中”，“全世界人眼中”。

而三个视图里面的地址，都是虚拟地址，对应的是“你爸爸眼中的儿子”，“你女朋友眼中的男朋友”......

最后，这些虚地址都能映射到同一个物理地址，这个物理地址对应上面例子中的“你本人”。

用一段简单的Java代码表示这种关系：

在ZGC中这三个空间在同一时间点有且仅有一个空间有效。

为什么这么设计呢？这就是ZGC的高明之处，利用虚拟空间换时间，这三个空间的切换是由垃圾回收的不同阶段触发的，通过限定三个空间在同一时间点有且仅有一个空间有效高效的完成GC过程的并发操作，具体实现会在后面讲ZGC并发处理算法的部分再详细描述。

染色指针

在讲ZGC并发处理算法之前，还需要补充一个知识点——染色指针。

我们都知道，之前的垃圾收集器都是把GC信息（标记信息、GC分代年龄..）存在对象头的Mark Word里。举个例子：

如果某个人是个垃圾人，就在这个人的头上盖一个“垃圾”的章；如果这个人不是垃圾了，就把这个人头上的“垃圾”印章洗掉。

而ZGC是这样做的：

如果某个人是垃圾人。就在这个人的身份证信息里面标注这个人是个垃圾，以后不管这个人在哪刷身份证，别人都知道他是个垃圾人了。也许哪一天，这个人醒悟了不再是垃圾人了，就把这个人身份证里面的“垃圾”标志去掉。

在这例子中，“这个人”就是一个对象，而“身份证”就是指向这个对象的指针。

ZGC将信息存储在指针中，这种技术有一个高大上的名字——染色指针（Colored Pointer）。

在64位的机器中，对象指针是64位的。

ZGC使用64位地址空间的第0~43位存储对象地址，2^44 = 16TB，所以ZGC最大支持16TB的堆。
而第44~47位作为颜色标志位，Marked0、Marked1和Remapped代表三个视图标志位，Finalizable表示这个对象只能通过finalizer才能访问。
第48~63位固定为0没有利用。

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。千万不要把这个读屏障和Java内存模型里面的读屏障搞混了，两者根本不是同一个东西，ZGC中的读屏障更像是一种AOP技术，在字节码层面或者编译代码层面给读操作增加一个额外的处理。

读屏障实例：

Object o = obj.FieldA      // 从堆中读取对象引用，需要加入读屏障

  
Object p = o               // 无需加入读屏障，因为不是从堆中读取引用
o.dosomething()            // 无需加入读屏障，因为不是从堆中读取引用
int i =  obj.FieldB        // 无需加入读屏障，因为不是对象引用

ZGC中读屏障的代码作用：

GC线程和应用线程是并发执行的，所以存在应用线程去A对象内部的引用所指向的对象B的时候，这个对象B正在被GC线程移动或者其他操作，加上读屏障之后，应用线程会去探测对象B是否被GC线程操作，然后等待操作完成再读取对象，确保数据的准确性。具体的探测和操作步骤如下：