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layout: post title: "令人惊叹的ZGC" categories: Java tags: jvm gc

author: 张乘辉

content {:toc} 随着万众瞩目的 JDK11 的发布，ZGC 也随着 JDK11 面世了，这是一个处于实验阶段的，可扩展的低延迟垃圾回收器，为什么说他令人惊叹，我们都知道发生 GC 时，会发生 stop the world，也就是全部线程停止运行，官方承诺 ZGC 将 GC 时长控制在10ms以内，而且还不会随着堆的大小发生变化，这是什么概念，你要知道上一代的 G1，通常都会在100ms以上，你就知道 ZGC 有多牛了。

特性

据官方说：ZGC项目需要完成的目标是：控制Java的垃圾回收时长在10ms以内，绝对不超过10ms，并且使用了该垃圾回收策略之后，吞吐对比当前Java缺省的垃圾回收策略G1，下降不超过15%。

总的来说，ZGC主要有以下目标：

GC 停顿时间不超过10ms
停顿时间不随heap大小或存活对象大小增大而增大
可以处理从几百兆到几T的内存大小

我们先来看一张对比图：

zgc

再从官方得出的一个测试：

128G 的堆，复合模式下的性能，看 GC 停顿时间：

ZGC
                avg: 1.091ms (+/-0.215ms)
    95th percentile: 1.380ms
    99th percentile: 1.512ms
  99.9th percentile: 1.663ms
 99.99th percentile: 1.681ms
                max: 1.681ms

G1
                avg: 156.806ms (+/-71.126ms)
    95th percentile: 316.672ms
    99th percentile: 428.095ms
  99.9th percentile: 543.846ms
 99.99th percentile: 543.846ms
                max: 543.846ms

这就够惊叹了，竟然在 128g 的堆内存中，gc 停顿不超过 2ms，远远低于官方保守的 10ms！

它为什么这么快？其实有原因的，我从官方描述里总结了以下几点：

stop the world 只发生在 root 扫描的时候，之后就不会再发生了，所以无论多大的堆，对 GC 停顿时间的影响微乎其微
并发执行，意味着从 root 扫描有短暂的 stw，之后的 GC 操作都不会再停顿了
ZGC 中堆内存也被分成大量的区域，它们被称为 page
基于标记整理算法，并使用有色纸针（使用 colored oops）、加载屏障（Load Barrier），这两个也是 ZGC 最重要的技术了，以下是从官网摘录ZGC阶段：
1. GC循环从标记阶段开始，递归标记所有可达对象，标记阶段结束时，ZGC可以知道哪些对象仍然存在哪些是垃圾。ZGC将结果存储在每一页的位图（称为live map）中。
2. 在标记阶段，应用线程中的load barrier将未标记的引用压入线程本地的标记缓冲区，一旦缓冲区满，GC线程会拿到缓冲区的所有权，并且递归遍历此缓冲区所有可达对象。
3. 标记阶段后，ZGC需要迁移relocate集中的所有对象。relocate集是一组页面集合，包含了根据某些标准（例如那些包含最多垃圾对象的页面）确定的需要迁移的页面。对象由GC线程或者应用线程迁移（通过load barrier）。ZGC为每个relocate集中的页面分配了转发表。转发表是一个哈希映射，它存储一个对象已被迁移到的地址（如果该对象已经被迁移）。
4. GC线程遍历relocate集的活动对象，并迁移尚未迁移的所有对象。有时候会发生应用线程和GC线程同时试图迁移同一个对象，在这种情况下，ZGC使用CAS操作来确定胜利者。
5. 一旦GC线程完成了relocate集的处理，迁移阶段就完成了。虽然这时所有对象都已迁移，但是旧地引用址仍然有可能被使用，仍然需要通过转发表重新映射（remapping）。然后通过load barrier或者等到下一个标记循环修复这些引用，这也解释了为什么对象引用中有两个标记位（marked0和marked1）。标记阶段交替使用在marked0和marked1位。*
6. 从堆中读取引用时，ZGC需要一个所谓的load barrier（也称为read-barrier）。每次Java程序访问对象字段时，ZGC都会执行load barrier的代码逻辑，例如obj.field。访问原始类型的字段不需要屏障，例如obj.anInt或obj.anDouble。ZGC不使用存储/写入障碍obj.field = someValu，如标记整理章节所说，根据GC当前所处的阶段，如果尚未标记或迁移引用，则屏障会标记对象或迁移它。*

总结 ZGC 的 STW 为什么这么短的原因就是：仅root扫描时STW，其他标记、清理、迁移阶段，均通过colored oops和load-barrier配合使用，并发执行。

使用参数：

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC

因为ZGC还处于实验阶段，所以需要通过JVM参数UnlockExperimentalVMOptions 来解锁这个特性。