“?鯤之大，不知其幾千里也；堆之大，ZGC亦可速清也。”

1、什么是ZGC

ZGC(Z Garbage Collector) 是一款在JDK 11引入的低延遲垃圾收集器，并在之后的JDK版本里被持續優化，官方聲稱具有以下四大特性：

支持TB級別的內存

最大GC延遲時間在10ms內(在JDK 16中這一數值達到了1ms)

應用程序吞吐量最多減少15%

為未來的GC新特性奠定基礎

下面的內容會先對ZGC做一個詳細介紹，然后逐一說明這四大特性背后是如何實現的

2、內存布局

與G1一樣，ZGC也采用基于Region的堆內存布局，不一樣的是ZGC的Region具有動態性：動態創建銷毀、動態容量大小

一共分為三種Region：

小型Region：容量固定為 2MB，存放小于256KB的對象

中型Region：容量固定為 32MB，存放大于256KB小于4MB的對象

大型Region：容量為 2*N MB,可以動態變化，每個大Region中只會存放一個大對象，并且不會被重分配(即后文介紹的對象的復制)，因為大對象的復制代價高昂

下圖為ZGC的堆內存布局

3、GC信息存儲

1.?傳統方式

對象實例在堆內存有一部分數據是對象頭，對象頭由Mark Word，指向類的指針和數組長度三部分組成。Mark Word記錄了對象和鎖相關的信息，下圖是其在64位JVM下的存儲結構。

可以看到分代年齡、GC標記這種GC相關的信息被存儲在對象頭中，這種方式在有對象訪問的情況下是很自然合理的，但是對象在內存中會因為GC的原因經常被移動，會有訪問失敗的可能。我們知道訪問內存中的對象是通過指針來訪問的，那么這種GC相關的信息是否可以存儲在指針上呢？畢竟指針相較于對象穩定多了。

2. 染色指針

染色指針是一種直接將少量額外的信息存儲在指針上的技術，具體信息在64位平臺中如下圖所示

• Unused(18 bits)：用來給未來的GC新特性預留的擴展點

• Finalizable(1 bits)：標記該對象是否將要被回收

• Marked1&Marked0(各1 bits)：用于標記對象

• Object Address(42 bits)：可管理的內存為4TB (2的42次冪)

3.?內存屏障

染色指針如何能夠生效，內存屏障是很關鍵的一項技術。簡而言之就是從堆中加載類引用的時候執行的一段額外邏輯，是不是有一點AOP的味道？

Object o = obj.fieldA; //從堆中加載類引用 <內存屏障的邏輯會在這里執行>Object p = o; //不會執行內存屏障邏輯，不是從堆中獲取引用 o.doSomething(); //不會執行內存屏障邏輯，不是從堆中獲取引用

下圖則是內存屏障相關的邏輯，有一些內容會在本文后面介紹到。

4、執行過程

ZGC的執行過程可分為以下四個大階段，這四個階段都是可以并行的

1. 并發標記(Concurrent Mark)

從GC ROOTS遍歷對象圖做可達性分析

2. 并發預備重分配(Concurrent Prepare for Relocate)

統計本次需要清理哪些Region，將這些Region組成重分配集(Relocation Set)

3. 并發重分配(Concurrent?Relocate)

這個階段會把重分配集(Relocation Set)中存活的對象復制到新的Region中，并為每個Region維護一個轉發表(Forward Table)，記錄從舊對象到新對象的轉向關系。由于染色指針的特性，僅從引用就可得知一個對象是否處于重分配集中(Remapped 標記)，這次訪問會被內存屏障截獲，根據轉發表中新的對象地址進行訪問，并修正更新引用的值，使其指向新對象。這是指針的自愈(Self-Healing)能力，只有第一次訪問舊對象會被轉發，僅會被影響一次。

清理后的Region可以立即釋放用于新對象的分配，不用擔心很多指向舊對象的指針還未更新(圖中紅色箭頭)，舊對象的指針訪問對象的時候會被轉發表路由到新的對象。

是不是很像你去訪問一個老朋友(舊對象)，但是老朋友搬家了(內存復制)，但是家門口(轉發表)寫著新家的地址。

4. 并發重映射(Concurrent?Remap)

重映射就是修正整個堆中舊對象的所有引用，但是由于自愈能力的存在，這個階段并不緊迫，所以這個階段通常伴隨著下一次垃圾收集循環的并發標記(Concurrent Mark)階段執行了，反正都是要遍歷對象圖，這樣節省一次遍歷。一旦所有指針都被修正后，記錄新舊對象的轉發表就可以釋放了

5、總結

最后再來看官方聲稱的四大特性分別是如何做到的

支持TB級別的內存：Region分區管理、染色指針尋址

最大GC延遲時間在10ms內：全并發處理(僅對GC ROOTS進行遍歷時會暫停)

應用程序吞吐量最多減少15%：當生命周期很短的對象分配速率很高的時候，大量對象不會被進行標記收集，會產生大量浮動垃圾從而影響吞吐量，并且堆中可轉移對象的空間就會越來越小

為未來的GC新特性奠定基礎：染色指針中未被使用的18 bits

?OpenJDK?wiki?

《The?Z?Garbage?Collector?Low?Latency?GC?

for?OpenJDK》?

《The?Z?Garbage?Collector?An?Introduction》?

《An?Introduction?to?ZGC:?

A?Scalable?and?Experimental?Low-Latency?JVM?Garbage?Collector》?

《深入理解Java虛擬機》第三版

本文來自我們團隊的一個應屆生的文章，寫的不錯，他的公眾號大家也可以關注下：

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總結

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