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JVM提速利器：ZGC垃圾回收器的工作原理和应用

作者

ZGC是一种可扩展和低延迟的JVM垃圾回收器，能够实现大规模Java程序的快速内存分配和回收。在处理高负载情况下，ZGC表现出色，而且它能够与现有的Java应用程序平滑地集成。本文将详细介绍ZGC的原理、配置和使用示例。

ZGC的原理

在Java语言中，内存管理是非常重要的一环。内存分配是Java虚拟机的主要任务之一，而垃圾回收则是Java虚拟机的另一个重要任务。垃圾回收（Garbage Collection）是一种自动内存管理技术，用于检测和释放不再使用的内存资源。

在早期的JVM版本中，垃圾回收器通常使用分代垃圾回收算法，这种算法把堆分成新生代和老年代，其中新生代用于存储生命周期短的对象，而老年代用于存储生命周期长的对象。当垃圾回收器回收新生代时，将非死对象复制到另一个区域中，而老年代则使用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收。然而，这种算法不能很好地处理大规模Java程序的内存回收问题。

ZGC使用基于区域的垃圾回收方法，使用“Z”形状的堆结构（目前称其为“全局堆”）来管理可用的内存。在全局堆中，Java程序的堆空间分为一些连续的区域，每个区域都能够容纳4GB的对象，每个对象都由一些连续的区域组成。当Java程序的堆空间被占满时，ZGC会进行垃圾回收工作，但这样的操作会非常快速，因为它只涉及到一些小的对象和连续的区域。

ZGC 有一个名为“标记”（marking）的阶段，用于发现可达对象。GC 可以以多种方式存储对象状态信息，例如使用 Map，其中键为内存地址、值为该地址所在对象的状态。这种方法简单，但需要额外的内存来存储信息，并且维护 Map 也可能具有挑战性。相比之下，ZGC 采用了一种不同的方法——将引用状态存储为引用的位，称之为“引用着色”。然而，这种方法也带来了新的挑战：将引用的位设置为存储有关对象的元数据就意味着多个引用可能指向同一对象，因为状态位没有包含对象位置方面的任何信息，解决这个问题需要使用到多重映射（multimapping）技术。

在内存碎片方面，ZGC 采用了重定位（relocation）来优化。但对于较大的堆，重定位过程可能会很慢。为了缩短暂停时间，ZGC 会在大部分的重定位工作与应用程序并发执行。但此举也带来了新问题：假设我们有一个对象引用，ZGC 将其重定位，而此时发生了一次上下文切换，线程运行并尝试通过旧地址访问该对象。这时，ZGC 会使用“负载屏障”（load barriers）解决这个问题。负载屏障是指在线程从堆中加载引用时运行的一段代码（例如，在访问对象的非基元字段时），它会检查引用的元数据位并根据其结果对引用进行处理，因此可能会产生完全不同的引用，这个过程就称之为“重新映射”（remapping）。

1. 标记(Marking)

ZGC 将标记分为三个阶段：

第一阶段是暂停全局（stop-the-world）阶段，我们会查找根引用并标记它们。根引用是到达堆中对象的起点（例如局部变量或静态字段），由于根引用的数量通常很小，所以这个阶段很短。

下一个阶段是并行的，从根引用开始遍历对象图并标记到达的每个对象。此外，当负载屏障检测到未标记的引用时就会进行标记。

最后一个阶段是暂停全局阶段，用于解决一些特殊情况，例如处理弱引用。此时，我们已经知道哪些对象是可达的。

ZGC 使用的标记数据是 marked0 和 marked1 两个元数据位。

2. 引用着色(Reference Coloring)

引用表示虚拟内存中一个字节的位置。然而，并不一定要将所有的位都用来表示内存地址，因此我们可以使用其中一些位来存储有关对象状态的信息。ZGC 将其称为“引用着色”。在 ZGC 中，一个引用只占用 32 位，其中 4 位用于存储关于对象状态的信息。这些 4 位被称为“引用元数据位”，并且与其他内存管理系统中的状态位类似。然而，使用元数据位存在一个问题：多个引用可能指向同一个对象，但引用中的状态位没有包含对象位置方面的信息。解决这个问题需要使用多重映射技术。

多重映射涉及到将多个引用映射到单个对象上。在 ZGC 中，这是通过创建多个指向“分块”（chunk）的引用来实现的。Chunk 是一个对象集合，其中的所有对象都被映射到相同的元数据位值。因此，所有这些对象的元数据可以被存储在一个 Map 条目中，这样可以减小存储和维护映射所需的空间和时间成本。

使用分块有一个额外的好处：可以增加对象的局部性。由于一组对象都共享相同的元数据位，它们通常会在同一时间被访问，这会增加缓存的命中率，并提高应用程序的性能。

3. 重定位和负载屏障(Relocation)

在重定位阶段，ZGC 会将存活对象移动到新地址，以消除内存碎片化。然而，这可能会导致一些问题，例如重定位对指向该对象的引用的影响。在重定位过程中，ZGC 可能会使用全局暂停，这可能会使暂停时间变长。

为了缩短暂停时间，ZGC 尽可能在并发执行时进行大部分的重定位工作。但这可能会导致某些引用指向错误的地址。为了解决这个问题，ZGC 使用负载屏障。当应用程序加载引用时，负载屏障会触发并执行以下步骤：

  1. 检查重新映射位是否设置为 1。如果是，则表示引用是最新的，可以直接返回它。
  2. 检查引用对象是否在重定位集合中。如果不在，将重新映射位设置为 1 并返回更新的引用，并在下次加载该引用时避免此检查。
  3. 进行重定位，并创建前向表中的条目，用于存储每个重定位对象的新地址。
  4. 更新引用到对象的新位置，设置重新映射位并返回引用。

通过这些步骤，ZGC 确保每次尝试访问对象时都会获得最新的引用。虽然每次加载引用时都会触发负载屏障，导致一定程度上的性能下降，但通过这样的代价，ZGC 可以尽可能缩短暂停时间，提供更好的用户体验。

配置ZGC

安装ZGC

ZGC是OpenJDK 11和12的一部分，因此安装ZGC也就意味着安装相应的JDK版本。在Linux中，可以使用以下命令安装OpenJDK 11和12：

sudo apt-get install openjdk-11-jdk

sudo apt-get install openjdk-12-jdk

配置ZGC

为了启用ZGC，需要在JVM启动参数中添加以下参数：

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC

使用-XX:+UnlockExperimentalVMOptions参数表示开启实验性的JVM选项，使用-XX:+UseZGC参数表示使用ZGC作为垃圾回收器。

启用ZGC后，还可以使用以下参数来进一步调整垃圾回收的行为：

  • -Xmx ：设置JVM的最大堆大小。
  • -XX:ConcGCThreads ：设置并发GC线程的数量。
  • -XX:ParallelGCThreads ：设置并行GC线程的数量。

使用示例

下面是一个简单的使用ZGC的Java代码示例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ZgcDemo {
    
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            list.add(new byte[4096 * 1024]);
        }
    }
}

这个示例的作用是，使用ZGC在Java中进行内存分配和回收。在这个示例中，创建了一个包含100000个4GB字节数组的列表。当内存占满时，ZGC会自动进行垃圾回收并释放不再使用的内存。

性能测试

下面是一个使用ZGC进行性能测试的Java代码示例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ZgcPerformanceTest {
    private static final int BYTES_PER_MB = 1024 * 1024;
    private static final int MAX_MEMORY = 2048; // 2GB
    private static final int ITERATIONS = 10;
    private static final List<byte[]> ALLOCATIONS = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < ITERATIONS; i++) {
            System.out.println("Iteration " + i);
            try {
                allocateMemory();
            } catch (OutOfMemoryError e) {
                System.err.println("Memory limit exceeded");
                break;
            }
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Total time: " + (endTime - startTime) + "ms");
    }

    private static void allocateMemory() {
        int allocated = 0;
        while (true) {
            byte[] allocation = new byte[BYTES_PER_MB];
            ALLOCATIONS.add(allocation);
            allocated += 1;
            if (allocated * BYTES_PER_MB >= MAX_MEMORY) {
                break;
            }
        }
        System.out.println("Allocated " + allocated + "MB");
        ALLOCATIONS.clear();
    }
}

在这个示例中，设置了内存限制为2GB，每次循环分配1MB大小的数组，循环10次。在性能测试中，使用ZGC进行内存分配和回收。运行测试后，可以获得分配内存和垃圾回收的总时间。

总结

ZGC是一种可扩展、低延迟的JVM垃圾回收器，在处理高负载下的Java应用程序时表现出色。它使用基于区域的垃圾回收方法，并且能够更好地集成现有的Java应用程序。对于大数据处理和云计算来说，ZGC已经成为一种有前途的选择。使用ZGC需要考虑系统性能和内存大小，需要在生产环境中进行测试和性能优化。在使用ZGC时，应该根据具体的应用程序场景和性能需求进行参数配置，以获得最佳的性能表现。ZGC的出现将极大地促进Java生态环境的发展，为未来更高效的Java应用程序提供了一个有力的技术支持。

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