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ZGC(Z Garbage Collector)完全指南

ZGC是从JDK11中引入的一种新的 支持弹性伸缩 和 低延迟 垃圾收集器，ZGC可以工作在KB~TB的内存之下，作为一种并发的垃圾收集器，ZGC保证应用延迟不会超过10毫秒(即便在堆内存很大的情况下)，在JDK11中是以实验阶段的特性被发布出来的，到JDK13时，ZGC可以支持到16TB的堆内存，并且可以将 未提交的内存归还给操作系统 。

为什么引入ZGC

JVM的自动垃圾收集虽然减少了开发人员的工作，在一定程度上减少了内存泄漏的风险，但是由于GC是自动进行的，一些无法预知的事情有时候可能产生对应用有害的影响。

延迟增加导致应用的吞吐量和性能

随着时代发展，硬件会逐渐便宜，应用使用的内存将会越来越大，但是又不能增加延迟，降低吞吐量

ZGC保证，不管在什么情况下，延迟不会超过10毫秒。

The Z Garbage Collector, also known as ZGC , is a scalable low latency garbage collector designed to meet the following goals:

Pause times do not exceed 10ms
Pause times do not increase with the heap or live-set size
Handle heaps ranging from a few hundred megabytes to multi terabytes in size

ZGC特性

ZGC最典型的特性是它是一款 并发(concurrent)的GC ，其它的特性如下：

它可以标记内存，复制和迁移(relocate)内存，所有的操作都是并发的，同时它有一个并发的引用处理器
其它的垃圾收集器都是使用 store barriers ，ZGC使用 load barriers ，用于跟踪内存
- lock->unlock->read->load 读内存
- use->assign->store->write 写内存
ZGC可以更加灵活的配置大小和策略，相比于G1，它可以更好的处理非常大(very large)对象的释放
ZGC只有一代，没有新生代，老年代什么的，但是ZGC可以支持局部压缩，在内存恢复和迁移(reclaim and relocate)时，ZGC仍然有很高的性能
ZGC依赖NUMA-aware(非均衡存储器访问)，需要我们的内存支持这种特点

特性进度表

JDK11，2018年 9月
- ZGC发布
- 不支持类的卸载。-XX:+ClassUnloading 不生效
JDK12 2019年 3月
- 支持并发的类卸载
- 暂停时间进一步缩短
JDK13 2019年 9月
- 最大堆内存从4TB -> 16TB
- 支持归还未使用的内存 uncommitting unused memory
- 支持Linux与/AArch64平台
- 减少时间到一个固定的时间点之下 (Reduced Time-To-Safepoint)
- 支持 -XX:SoftMaxHeapSize ，当设置这个参数的时候，ZGC会尽量在指定的内存大小之下，除非为了避免内存溢出：参考： bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-…
JDK 14 计划在2020年3月
- 增加稳定性
- 支持不连续的地址空间
- ...

ZGC支持的平台：

平台	是否支持	当前进度
Linux/x64	Y	Since JDK 11
Linux/AArch64	Y	Since JDK 13
macOS		In Progress
Windows		In Progress

垃圾收集原理

几个术语：

parallel 多个垃圾收集线程在一起工作，应用可能会停止
serial 垃圾收集器只有一个线程在工作
stop the world 应用程序停止
concurrent 垃圾收集器在后台运行，应用程序同时也在运行
incremental 在垃圾收集工作结束之前，先停止垃圾收集，等一会再过来完成剩下的工作

ZGC引入了两个新的概念， pointer coloring 和 load barriers.

Point Coloring

这个特性让ZGC能够发现，标记，定位和重新映射对象，它只能工作在64位的操作系统上，实现colored pointer需要虚拟地址(virtual address masking)。

finalizable 对象可以被finalizer到达
marked0 和marked1 标记可达的对象
remap 引用指针到当前对象的地址，对象可能会被relocate，这个地址表示对象被relocate

Load Barrier

load barrier是一段代码，当线程从堆中加载引用的时候被运行。例如，当我们访问对象的一个非主要类型的属性。

在ZGC中，load barrier检查引用的元数据位，根据元数据位对引用的对象做一些处理，因此可能在我们获取对象的时候对象的引用会被修改掉，但是不影响我们的使用。

实战

可以从jdk官网下载最新版本的JDK，下载地址：

www.oracle.com/technetwork…

快速开始

GC日志标记格式如下：

-Xlog:<tag set>,[<tag set>, ...]:<log file>
复制代码

只是想要查看ZGC是否生效：

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -Xmx<size> -Xlog:gc
复制代码

想要查看更加详细的ZGC日志信息：

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -Xmx<size> -Xlog:gc*
复制代码

将更详细的日志信息记录在文件中：

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -Xmx<size> -Xlog:gc*:gc.log
复制代码

GC调参

通用GC选项	ZGC选项	ZGC 诊断选项-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
-XX:MinHeapSize, -Xms -XX:InitialHeapSize, -Xms -XX:MaxHeapSize, -Xmx -XX:SoftMaxHeapSize -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB	-XX:ZAllocationSpikeTolerance -XX:ZCollectionInterval -XX:ZFragmentationLimit -XX:ZMarkStackSpaceLimit -XX:ZPath -XX:ZUncommit -XX:ZUncommitDelay	-XX:ZProactive -XX:ZStatisticsInterval -XX:ZVerifyForwarding -XX:ZVerifyMarking -XX:ZVerifyObjects -XX:ZVerifyRoots -XX:ZVerifyViews

是否启用NUMA支持：

# 启用NUMA
-XX:+UseNUMA 

# 停用NUMA
-XX:-UseNUMA 
复制代码

调整并发的线程数：

-XX:ConcGCThreads=
复制代码

返回未提交的内存到操作系统，堆内存不会地址设置的最小堆内存-Xms

# 多久未提交的内存会返回给系统
-XX:+ZUncommit  -XX:ZUncommitDelay=<seconds>
复制代码

开启大分页，一般会带来更好的性能提升，吞吐量，延迟和启动时间都有所改善。并没有看到明显的缺点

大分页在Linux系统中一般为2MB的大小，如果有16G的堆内存，那么意味着需要16GB/2MB = 8192个大分页，以下命令需要 Linux kernel >= 4.14

# 配置操作系统中的分页池数量
echo 9216 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages

# 查看系统中现在的分页数量
cat /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages


-XX:+UseLargePages
复制代码

如果 Linux kernel < 4.14 ，那么如下方式

mkdir /hugepages
mount -t hugetlbfs -o uid=123 nodev /hugepages 
java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -Xms16G -Xmx16G -XX:+UseLargePages
复制代码

开启透明分页，透明分页可能导致延迟上的一些问题，有时候不推荐使用，开启透明分页需要 Linux kernel < 4.7

# 开启透明分页
echo madvise > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo advise > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/shmem_enabled


-XX:+UseTransparentHugePage
复制代码