20.ZGC详解

一、ZGC概念

1.介绍

    ZGC（The Z Garbage Collector）是JDK 11中推出的一款追求极致低延迟的垃圾收集器；

      停顿时间不超过10ms（JDK16已经达到不超过1ms）；

      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，JDK15后已经可以支持16TB。

2.ZGC中的内存布局

    1.ZGC将内存划分成小的分区，在ZGC中称为页面（page）

    2.ZGC中没有分代的概念（新生代、老年代）

    3.ZGC支持3种页面，分别为小页面(最大2M)、中页面(最大32M)和大页面(操作系统影响)

    4.回收策略：小页面优先回收，中页面和大页面尽量不回收；

为什么这么设计？

    现代硬件架构的发展，提升性能

3.ZGC支持NUMA

    在过去，对于X86架构的计算机，内存控制器还没有整合进CPU，所有对内存的访问都需要通过北桥芯片来完成。X86系统中的所有内存都可以通过CPU进行同等访问。任何CPU访问任何内存的速度是一致的，不必考虑不同内存地址之间的差异，这称为“统一内存访问”（Uniform Memory Access，UMA）。UMA系统的架构示意图如图所示。

    在UMA中，各处理器与内存单元通过互联总线进行连接，各个CPU之间没有主从关系。之后的X86平台经历了一场从“拼频率”到“拼核心数”的转变，越来越多的核心被尽可能地塞进了同一块芯片上，各个核心对于内存带宽的争抢访问成为瓶颈，所以人们希望能够把CPU和内存集成在一个单元上（称Socket），这就是非统一内存访问（Non-Uniform Memory Access，NUMA）。很明显，在NUMA下，CPU访问本地存储器的速度比访问非本地存储器快一些。下图所示是支持NUMA处理器架构示意图。

    ZGC是支持NUMA的，在进行小页面分配时会优先从本地内存分配，当不能分配时才会从远端的内存分配。对于中页面和大页面的分配，ZGC并没有要求从本地内存分配，而是直接交给操作系统，由操作系统找到一块能满足ZGC页面的空间。ZGC这样设计的目的在于，对于小页面，存放的都是小对象，从本地内存分配速度很快，且不会造成内存使用的不平衡，而中页面和大页面因为需要的空间大，如果也优先从本地内存分配，极易造成内存使用不均衡，反而影响性能。

二、ZGC的核心概念

1.颜色指针(Color Pointers)

1.颜色指针是ZGC核心概念，在指针中借了几位，只支持64位系统，不能进行指针压缩；

2.ZGC中最低42位表示使用堆空间；

3.ZGC借高几位表示垃圾回收中的并发标记、转移和重定位等。

2.ZGC流程

主要有标记（标识垃圾）和转移（对象复制或移动）2个阶段；

2.1.初始标记

这个阶段需要暂停（STW），初始标记只需要扫描所有GC Roots，其处理时间和GC Roots的数量成正比，停顿时间不会随着堆的大小或者活跃对象的大小而增加。

2.2.并发标记

这个阶段不需要暂停（没有STW），扫描剩余的所有对象，这个处理时间比较长，所以走并发，业务线程与GC线程同时运行。但是这个阶段会产生漏标问题。

2.3.再标记

这个阶段需要暂停（没有STW），主要处理漏标对象，通过SATB算法解决（G1中的解决漏标的方案）。

2.4.并发转移准备

分析最有价值GC分页

2.5.初始转移

转移初始标记的存活对象同时做对象重定位

2.6.并发转移

对转移并发标记的存活对象做转移

初始标记：从根集合(GC Roots)出发，找出根集合直接引用的活跃对象(根对象)

并发标记：根据初始标记找到的根对象，使用深度优先遍历对象的成员变量进行标记

3.GC roots可达性算法

    用来判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。

作为GC Roots的对象主要包括下面4种

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）：各个线程调用方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。
• 方法区中类静态变量：java类的引用类型静态变量。

• 方法区中常量：比如：字符串常量池里的引用。
• 本地方法栈中JNI指针：（即一般说的Native方法

三、ZGC读屏障

ZGC中的读屏障

涉及对象：并发转移但还没做对象重定位的对象（着色指针使用M0和M1可以区分）

触发时机：在两次GC之间业务线程访问这样的对象

触发操作：对象重定位+删除转发表记录（两个一起做原子操作）

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。

需要注意的是，仅“从堆中读取对象引用”才会触发这段代码。

四、ZGC中GC触发机制（JAVA16）

1.预热规则

服务刚启动时出现，一般不需要关注。日志中关键字是“Warmup”。

JVM启动预热，如果从来没有发生过GC，则在堆内存使用超过10%、20%、30%时，分别触发一次GC，以收集GC数据.

2.基于分配速率的自适应算法

最主要的GC触发方式（默认方式），其算法原理可简单描述为”ZGC根据近期的对象分配速率以及GC时间，计算出当内存占用达到什么阈值时触发下一次GC”。通过ZAllocationSpikeTolerance参数控制阈值大小，该参数默认2，数值越大，越早的触发GC。日志中关键字是“Allocation Rate”。

3.基于固定时间间隔

通过ZCollectionInterval控制，适合应对突增流量场景。流量平稳变化时，自适应算法可能在堆使用率达到95%以上才触发GC。流量突增时，自适应算法触发的时机可能会过晚，导致部分线程阻塞。我们通过调整此参数解决流量突增场景的问题，比如定时活动、秒杀等场景。

4.主动触发规则

类似于固定间隔规则，但时间间隔不固定，是ZGC自行算出来的时机，我们的服务因为已经加了基于固定时间间隔的触发机制，所以通过-ZProactive参数将该功能关闭，以免GC频繁，影响服务可用性。

5.阻塞内存分配请求触发

当垃圾来不及回收，垃圾将堆占满时，会导致部分线程阻塞。我们应当避免出现这种触发方式。日志中关键字是“Allocation Stall”。

6.外部触发

代码中显式调用System.gc()触发。 日志中关键字是“System.gc()”。

7.元数据分配触发

元数据区不足时导致，一般不需要关注。 日志中关键字是“Metadata GC Threshold”。

五、ZGC参数设置

ZGC 优势不仅在于其超低的 STW 停顿，也在于其参数的简单，绝大部分生产场景都可以自适应。当然，极端情况下，还是有可能需要对 ZGC 个别参数做个调整，大致可以分为三类：

• 堆大小：Xmx。当分配速率过高，超过回收速率，造成堆内存不够时，会触发 Allocation Stall，这类 Stall 会减缓当前的用户线程。因此，当我们在 GC 日志中看到 Allocation Stall，通常可以认为堆空间偏小或者 concurrent gc threads 数偏小。
• GC 触发时机：ZAllocationSpikeTolerance, ZCollectionInterval。ZAllocationSpikeTolerance 用来估算当前的堆内存分配速率，在当前剩余的堆内存下，ZAllocationSpikeTolerance 越大，估算的达到 OOM 的时间越快，ZGC 就会更早地进行触发 GC。ZCollectionInterval 用来指定 GC 发生的间隔，以秒为单位触发 GC。

• GC 线程：ParallelGCThreads， ConcGCThreads。ParallelGCThreads 是设置 STW 任务的 GC 线程数目，默认为 CPU 个数的 60%；ConcGCThreads 是并发阶段 GC 线程的数目，默认为 CPU 个数的 12.5%。增加 GC 线程数目，可以加快 GC 完成任务，减少各个阶段的时间，但也会增加 CPU 的抢占开销，可根据生产情况调整。

由上可以看出 ZGC 需要调整的参数十分简单，通常设置 Xmx 即可满足业务的需求，大大减轻 Java 开发者的负担。

六、ZGC典型应用场景

对于性能来说，不同的配置对性能的影响是不同的，如充足的内存下即大堆场景，ZGC 在各类 Benchmark 中能够超过 G1 大约 5% 到 20%，而在小堆情况下，则要低于 G1 大约 10%；不同的配置对于应用的影响不尽相同，开发者需要根据使用场景来合理判断。

当前 ZGC 不支持压缩指针和分代 GC，其内存占用相对于 G1 来说要稍大，在小堆情况下较为明显，而在大堆情况下，这些多占用的内存则显得不那么突出。因此，以下两类应用强烈建议使用 ZGC 来提升业务体验：

• 超大堆应用。超大堆（百 G 以上）下，CMS 或者 G1 如果发生 Full GC，停顿会在分钟级别，可能会造成业务的终端，强烈推荐使用 ZGC。
• 当业务应用需要提供高服务级别协议（Service Level Agreement，SLA），例如 99.99% 的响应时间不能超过 100ms，此类应用无论堆大小，均推荐采用低停顿的 ZGC。

七、ZGC生产注意事项

1.RSS 内存异常现象

由前面 ZGC 原理可知，ZGC 采用多映射 multi-mapping 的方法实现了三份虚拟内存指向同一份物理内存。而 Linux 统计进程 RSS 内存占用的算法是比较脆弱的，这种多映射的方式并没有考虑完整，因此根据当前 Linux 采用大页和小页时，其统计的开启 ZGC 的 Java 进程的内存表现是不同的。在内核使用小页的 Linux 版本上，这种三映射的同一块物理内存会被 linux 的 RSS 占用算法统计 3 次，因此通常可以看到使用 ZGC 的 Java 进程的 RSS 内存膨胀了三倍左右，但是实际占用只有统计数据的三分之一，会对运维或者其他业务造成一定的困扰。而在内核使用大页的 Linux 版本上，这部分三映射的物理内存则会统计到 hugetlbfs inode 上，而不是当前 Java 进程上。

2.共享内存调整

ZGC 需要在 share memory 中建立一个内存文件来作为实际物理内存占用，因此当要使用的 Java 的堆大小大于 /dev/shm 的大小时，需要对 /dev/shm 的大小进行调整。通常来说，命令如下（下面是将 /dev/shm 调整为 64G）：

vi/etc/fstabtmpfs /dev/shm tmpfs defaults,size= 65536M00

首先修改 fstab 中 shm 配置的大小，size 的值根据需求进行修改，然后再进行 shm 的 mount 和 umount。

umount/dev/shmmount /dev/shm

3.mmap 节点上限调整

ZGC 的堆申请和传统的 GC 有所不同，需要占用的 memory mapping 数目更多，即每个 ZPage 需要 mmap 映射三次，这样系统中仅 Java Heap 所占用的 mmap 个数为 (Xmx / zpage_size) * 3，默认情况下 zpage_size 的大小为 2M。

为了给 JNI 等 native 模块中的 mmap 映射数目留出空间，内存映射的数目应该调整为 (Xmx / zpage_size) 3*1.2。

默认的系统 memory mapping 数目由文件 /proc/sys/vm/max_map_count 指定，通常数目为 65536，当给 JVM 配置一个很大的堆时，需要调整该文件的配置，使得其大于 (Xmx / zpage_size) 3*1.2。