jvm 垃圾收集器（ZGC）

小咪咪 2023-05-28 11:26 16阅读 0赞

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### jvm 垃圾收集器（ZGC） ###

**官网：[https://docs.oracle.com/en/java/javase/15/gctuning/z-garbage-collector.html\#GUID-8637B158-4F35-4E2D-8E7B-9DAEF15BB3CD][https_docs.oracle.com_en_java_javase_15_gctuning_z-garbage-collector.html_GUID-8637B158-4F35-4E2D-8E7B-9DAEF15BB3CD]**

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**ZGC 简介**

The Z Garbage Collector (ZGC) is a scalable low latency garbage collector. 
    ZGC performs all expensive work concurrently, without stopping the execution of application 
    threads for more than a few milliseconds. 
    
    It is suitable for applications which require low latency. 
    Pause times are independent of heap size that is being used. 
    ZGC supports heap sizes from 8MB to 16TB.

**低延时：**所有耗时的工作都是并发执行，用户线程停顿时间很少

**停顿时间可控：**用户线程停顿时间与回收的堆大小无关

**回收空间大：**可回收16TB大小的堆空间

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**ZGC 内存布局**

将内存划分为**多个region**，**（暂时）不设分代**；使用**整理算法**对内存进行回收

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzMTYyNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

ZGC的region可以**动态的创建和销毁，并且region的大小可以动态变更**，主要分三类：

**小型region：固定为2M，**用于存储小于256KB的小对象；

**中型region：固定为4M，**用于存储大于等于256KB，小于4M的对象；

**大型region：大小可变化，需为2M的整数倍，**存储大于等于4M的对象，大型region最小为4M

**整理算法实现：读屏障、染色指针、内存多重映射**

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**内存多重映射：多个虚拟内存对应同一块物理内存**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzMTYyNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**concurrent reloate阶段，重分配集（relocation set）中region的存活对象会复制到其他region中**；

存活对象复制完成后，**该region就可重新利用，可将这部分内存空间分配给新的对象**；

此时，**原对象的引用关系可能仍指向该内存地址**（concurrent remap阶段会通过转发表修改为真实的内存地址），因此形成虚拟地址与物理地址多对一的关系

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**染色指针、读屏障**

![20200329111429244.png][]

ZGC的并发整理算法通过染色指针来实现

**标记信息存储在引用对象的指针上：**高18位不能使用，4位用来存储标记信息，低42位存储对象地址

染色指针**不支持32位平台**、**不支持压缩指针（-XX:+UseCompressedOops）**、**最多可使用4TB（2的42次方）的物理内存**

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**标志位说明**

**Marked0 /Marked1：**标记位，标记对象是否可用

**Remapped：**记录对象是否进入过重分配集（对象是否移动过）

**Finalizable：**标记对象是否只能通过fnalize()访问

**使用两个标记位Marked0、Marked1：在不同的回收周期交替使用，上一回收周期的标志位在本周期失效，重置为0**

如：**一个周期中使用Marked0**，存活对象标记为**01**，

则**下一个周期使用标记位Marked1**，存活对象标记为**10**

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**优势**

**region上的存活对象都移走后就可回收region**，不用等待引用关系都修改后再释放（**引用关系修改通过转发表维护**）；

**染色指针使用读屏障修改引用关系**，与使用写屏障相比，大幅减少内存屏障的使用数量；

**可以开发未使用的18位记录标记、重定位等信息**，将ZGC支持的堆内存由4TB拓展位128TB

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**ZGC 回收过程**

![20200329173211113.png][]

**并发标记：Concurrent Mark**

并发标记开始前，**停止用户线程，枚举根节点**；

**并发标记期间，用户可以运行**，根据根节点进行可达性分析并标记；

并发标记结束后，**停止用户线程，做最终标记**；

**并发预重分配：Concurrent Prepare for relocate**

**扫描整个堆，找出需要清理的region，将这些region组成重分配集（relocation set）**；

java12开始支持的**类卸载、弱引用的删除**也在这个阶段完成

**并发重分配：Conurrent relocate**

**将重分配集中的region存活对象复制到其他region中，**使用转发表维护旧对象与新对象的对应关系；

**region中的存活对象全部复制完成后，**该region的内存空间就可重新使用；

**转发表不能释放，**需要等到后续阶段对象的引用关系修改完成后才能删除

**并发重映射：Concurrent Remap**

**根据转发表，修改指针指向：**指向旧对象的内存地址修改为**指向新对象的内存地址**；

这一阶段的工作不一定要立刻完成的，**zgc的实现是在下一阶段的Concurrent Mark阶段修改指针的内存地址**

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**相关参数**

**-XX:+UseZGC：**使用zgc垃圾收集器**（ZGC垃圾收集器在 java 15正式发布）**

**-XX:ConcGCThreads：**垃圾回收线程数，ZGC会根据当前cpu自动设置

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**示例**

public class Test8 {
    
        public static void main(String[] args){
            byte[] b=new byte[10];
            b=null;
    
            System.gc();
        }
    }

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**虚拟机参数**

-Xms20m -Xmx20m -Xlog:gc* -XX:+UseZGC

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**控制台输出**

[0.032s][info][gc,init] Initializing The Z Garbage Collector
    [0.032s][info][gc,init] Version: 14+36-1461 (release)
    [0.033s][info][gc,init] NUMA Support: Disabled
    [0.033s][info][gc,init] CPUs: 8 total, 8 available
    [0.033s][info][gc,init] Memory: 8079M
    [0.033s][info][gc,init] Large Page Support: Disabled
    [0.033s][info][gc,init] Medium Page Size: N/A
    [0.033s][info][gc,init] Workers: 1 parallel, 1 concurrent
    [0.034s][info][gc,init] Address Space Type: Contiguous/Unrestricted/Complete
    [0.034s][info][gc,init] Address Space Size: 320M x 3 = 960M
    [0.034s][info][gc,init] Min Capacity: 20M
    [0.034s][info][gc,init] Initial Capacity: 20M
    [0.034s][info][gc,init] Max Capacity: 20M
    [0.034s][info][gc,init] Max Reserve: 2M
    [0.034s][info][gc,init] Pre-touch: Disabled
    [0.035s][info][gc,init] Uncommit: Disabled
    [0.051s][info][gc,init] Runtime Workers: 1 parallel
    [0.051s][info][gc     ] Using The Z Garbage Collector
    [0.227s][info][gc,start] GC(0) Garbage Collection (Warmup)
    [0.228s][info][gc,phases] GC(0) Pause Mark Start 0.558ms
    [0.233s][info][gc,phases] GC(0) Concurrent Mark 5.530ms
    [0.234s][info][gc,phases] GC(0) Pause Mark End 0.084ms
    [0.234s][info][gc,phases] GC(0) Concurrent Process Non-Strong References 0.589ms
    [0.234s][info][gc,phases] GC(0) Concurrent Reset Relocation Set 0.001ms
    [0.248s][info][gc,phases] GC(0) Concurrent Select Relocation Set 13.698ms
    [0.249s][info][gc,phases] GC(0) Pause Relocate Start 0.425ms
    [0.253s][info][gc,phases] GC(0) Concurrent Relocate 3.846ms
    [0.253s][info][gc,load  ] GC(0) Load: 0.00/0.00/0.00
    [0.253s][info][gc,mmu   ] GC(0) MMU: 2ms/72.1%, 5ms/88.8%, 10ms/93.6%, 20ms/96.8%, 50ms/97.9%, 100ms/98.9%
    [0.253s][info][gc,marking] GC(0) Mark: 1 stripe(s), 2 proactive flush(es), 1 terminate flush(es), 1 completion(s), 0 continuation(s) 
    [0.253s][info][gc,reloc  ] GC(0) Relocation: Successful, 1M relocated
    [0.253s][info][gc,nmethod] GC(0) NMethods: 178 registered, 0 unregistered
    [0.253s][info][gc,metaspace] GC(0) Metaspace: 5M used, 5M capacity, 5M committed, 8M reserved
    [0.253s][info][gc,ref      ] GC(0) Soft: 36 encountered, 0 discovered, 0 enqueued
    [0.253s][info][gc,ref      ] GC(0) Weak: 99 encountered, 92 discovered, 17 enqueued
    [0.253s][info][gc,ref      ] GC(0) Final: 0 encountered, 0 discovered, 0 enqueued
    [0.253s][info][gc,ref      ] GC(0) Phantom: 14 encountered, 14 discovered, 13 enqueued
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0) Min Capacity: 20M(100%)
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0) Max Capacity: 20M(100%)
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0) Soft Max Capacity: 20M(100%)
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0)                Mark Start          Mark End        Relocate Start      Relocate End           High               Low         
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0)  Capacity:       20M (100%)         20M (100%)         20M (100%)         20M (100%)         20M (100%)         20M (100%)   
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0)   Reserve:        2M (10%)           2M (10%)           2M (10%)           2M (10%)           2M (10%)           2M (10%)    
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0)      Free:       14M (70%)          12M (60%)          12M (60%)          14M (70%)          14M (70%)          10M (50%)    
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0)      Used:        4M (20%)           6M (30%)           6M (30%)           4M (20%)           8M (40%)           4M (20%)    
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0)      Live:         -                 1M (6%)            1M (6%)            1M (6%)             -                  -          
    [0.253s][info][gc,heap     ] GC(0) Allocated:         -                 2M (10%)           2M (10%)           4M (20%)            -                  -          
    [0.254s][info][gc,heap     ] GC(0)   Garbage:         -                 2M (14%)           2M (14%)           0M (4%)             -                  -          
    [0.254s][info][gc,heap     ] GC(0) Reclaimed:         -                  -                 0M (0%)            2M (10%)            -                  -          
    [0.254s][info][gc          ] GC(0) Garbage Collection (Warmup) 4M(20%)->4M(20%)
    [0.294s][info][gc,start    ] GC(1) Garbage Collection (System.gc())
    [0.295s][info][gc,phases   ] GC(1) Pause Mark Start 0.491ms
    [0.302s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Mark 6.725ms
    [0.302s][info][gc,phases   ] GC(1) Pause Mark End 0.036ms
    [0.303s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Process Non-Strong References 0.723ms
    [0.303s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Reset Relocation Set 0.003ms
    [0.305s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Select Relocation Set 2.693ms
    [0.306s][info][gc,phases   ] GC(1) Pause Relocate Start 0.347ms
    [0.310s][info][gc,phases   ] GC(1) Concurrent Relocate 3.839ms
    [0.310s][info][gc,load     ] GC(1) Load: 0.00/0.00/0.00
    [0.310s][info][gc,mmu      ] GC(1) MMU: 2ms/72.1%, 5ms/88.8%, 10ms/93.6%, 20ms/95.6%, 50ms/97.9%, 100ms/98.1%
    [0.310s][info][gc,marking  ] GC(1) Mark: 1 stripe(s), 2 proactive flush(es), 1 terminate flush(es), 0 completion(s), 0 continuation(s) 
    [0.310s][info][gc,reloc    ] GC(1) Relocation: Successful, 1M relocated
    [0.310s][info][gc,nmethod  ] GC(1) NMethods: 199 registered, 0 unregistered
    [0.310s][info][gc,metaspace] GC(1) Metaspace: 6M used, 6M capacity, 6M committed, 8M reserved
    [0.310s][info][gc,ref      ] GC(1) Soft: 40 encountered, 0 discovered, 0 enqueued
    [0.310s][info][gc,ref      ] GC(1) Weak: 89 encountered, 78 discovered, 1 enqueued
    [0.310s][info][gc,ref      ] GC(1) Final: 0 encountered, 0 discovered, 0 enqueued
    [0.310s][info][gc,ref      ] GC(1) Phantom: 5 encountered, 3 discovered, 0 enqueued
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1) Min Capacity: 20M(100%)
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1) Max Capacity: 20M(100%)
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1) Soft Max Capacity: 20M(100%)
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1)                Mark Start          Mark End        Relocate Start      Relocate End           High               Low         
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1)  Capacity:       20M (100%)         20M (100%)         20M (100%)         20M (100%)         20M (100%)         20M (100%)   
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1)   Reserve:        2M (10%)           2M (10%)           2M (10%)           2M (10%)           2M (10%)           2M (10%)    
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1)      Free:       14M (70%)          12M (60%)          12M (60%)          14M (70%)          14M (70%)          10M (50%)    
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1)      Used:        4M (20%)           6M (30%)           6M (30%)           4M (20%)           8M (40%)           4M (20%)    
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1)      Live:         -                 1M (6%)            1M (6%)            1M (6%)             -                  -          
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1) Allocated:         -                 2M (10%)           2M (10%)           4M (20%)            -                  -          
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1)   Garbage:         -                 2M (14%)           2M (14%)           0M (4%)             -                  -          
    [0.310s][info][gc,heap     ] GC(1) Reclaimed:         -                  -                 0M (0%)            2M (10%)            -                  -          
    [0.310s][info][gc          ] GC(1) Garbage Collection (System.gc()) 4M(20%)->4M(20%)
    [0.313s][info][gc,heap,exit] Heap
    [0.313s][info][gc,heap,exit]  ZHeap           used 4M, capacity 20M, max capacity 20M
    [0.313s][info][gc,heap,exit]  Metaspace       used 6415K, capacity 6463K, committed 6656K, reserved 8192K

[https_docs.oracle.com_en_java_javase_15_gctuning_z-garbage-collector.html_GUID-8637B158-4F35-4E2D-8E7B-9DAEF15BB3CD]: https://docs.oracle.com/en/java/javase/15/gctuning/z-garbage-collector.html#GUID-8637B158-4F35-4E2D-8E7B-9DAEF15BB3CD
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzMTYyNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/b24fdd963c9d465895b1e2a7874224d9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzMTYyNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230528/065e27f29cb84d1bac9d718008b76134.png
[20200329111429244.png]: /images/20230528/60a6923619994ca49cb77c674fc661ce.png
[20200329173211113.png]: /images/20230528/7786eb2010204d409cc19ba3bcb5574d.png