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JVM-新一代GC之低延迟垃圾收集器

Shenandoah和ZGC为什么被称为低延迟GC，因为它几乎整个工作过程全部都是并发的，只有初始标记、最终标记这些阶段有短暂的停顿，这部分停顿的时间基本上是固定的，与堆的容量、堆中对象的数量没有正比例关系。实际上，它们都可以在任意可管理的（譬如现在ZGC只能管理4TB以内的堆）堆容量下，实现垃圾收集的停顿都不超过十毫秒这种以前听起来是天方夜谭、匪夷所思的目标。这两款目前仍处于实验状态的收集器，被官方命名为“低延迟垃圾收集器”。

衡量垃圾收集器的三项最重要的指标是：内存占用（Footprint）、吞吐量（Throughput）和延迟（Latency），三者共同构成了一个“不可能三角”。

1. Shenandoah垃圾回收器

比起稍后要介绍的有着Oracle正朔血统的ZGC，Shenandoah反而更像是G1的下一代继承者。使用转发指针（Forwarding Pointer，也常被称为Indirection Pointer）来实现对象移动与用户程序并发的一种解决方案。

那Shenandoah相比起G1又有什么改进呢？

虽然Shenandoah也是使用基于Region的堆内存布局，同样有着用于存放大对象的HumongousRegion，默认的回收策略也同样是优先处理回收价值最大的Region……但在管理堆内存方面，它与G1至少有三个明显的不同之处，最重要的当然是支持并发的整理算法，G1的回收阶段是可以多线程并行的，但却不能与用户线程并发，这点作为Shenandoah最核心的功能稍后笔者会着重讲解。其次，Shenandoah（目前）是默认不使用分代收集的，换言之，不会有专门的新生代Region或者老年代Region的存在，没有实现分代，并不是说分代对Shenandoah没有价值，这更多是出于性价比的权衡，基于工作量上的考虑而将其放到优先级较低的位置上。最后，Shenandoah摒弃了在G1中耗费大量内存和计算资源去维护的记忆集，改用名为“连接矩阵”（Connection Matrix）的全局数据结构来记录跨Region的引用关系，降低了处理跨代指针时的记忆集维护消耗，也降低了伪共享问题。

Shenandoah收集器的工作过程大致可以划分为以下九个阶段

初始标记这个阶段仍是“Stop The World”的，但停顿时间与堆大小无关，只与GC Roots的数量相关
并发标记与G1一样，遍历对象图，标记出全部可达的对象，这个阶段是与用户线程一起并发的，时间长短取决于堆中存活对象的数量以及对象图的结构复杂程度。
最终标记与G1一样，处理剩余的SATB扫描，并在这个阶段统计出回收价值最高的Region，将这些Region构成一组回收集（Collection Set）。最终标记阶段也会有一小段短暂的停顿。
并发清理这个阶段用于清理那些整个区域内连一个存活对象都没有找到的Region
并发回收在这个阶段，Shenandoah要把回收集里面的存活对象先复制一份到其他未被使用的Region之中。复制对象这件事情如果将用户线程冻结起来再做那是相当简单的，但如果两者必须要同时并发进行的话，就变得复杂起来了。其困难点是在移动对象的同时，用户线程仍然可能不停对被移动的对象进行读写访问，移动对象是一次性的行为，但移动之后整个内存中所有指向该对象的引用都还是旧对象的地址，这是很难一瞬间全部改变过来的。对于并发回收阶段遇到的这些困难，Shenandoah将会通过读屏障和被称为“Brooks Pointers”的转发指针来解决（讲解完Shenandoah整个工作过程之后笔者还要再回头介绍它）。并发回收阶段运行的时间长短取决于回收集的大小
初始引用更新并发回收阶段复制对象结束后，还需要把堆中所有指向旧对象的引用修正到复制后的新地址，这个操作称为引用更新。
并发引用更新真正开始进行引用更新操作，这个阶段是与用户线程一起并发的，时间长短取决于内存中涉及的引用数量的多少。并发引用更新与并发标记不同，它不再需要沿着对象图来搜索，只需要按照内存物理地址的顺序，线性地搜索出引用类型，把旧值改为新值即可。
最终引用更新解决了堆中的引用更新后，还要修正存在于GC Roots中的引用。这个阶段是Shenandoah的最后一次停顿，停顿时间只与GC Roots的数量相关。
并发清理经过并发回收和引用更新之后，整个回收集中所有的Region已再无存活对象，最后再调用一次并发清理过程来回收这些Region的内存空间，供以后新对象分配使用。

Shenandoah收集器性能

2016年做该测试时的Shenandoah并没有完全达成预定目标，停顿时间比其他几款收集器确实有了质的飞跃，但也并未实现最大停顿时间控制在十毫秒以内的目标，而吞吐量方面则出现了很明显的下降。

Shenandoah的性能在日益改善，逐步接近“Low-Pause”的目标。此外，RedHat也积极拓展Shenandoah的使用范围，将其Backport到JDK 11甚至是JDK 8之上，让更多不方便升级JDK版本的应用也能够享受到垃圾收集器技术发展的最前沿成果。

2. ZGC收集器

ZGC是一款在JDK 11中新加入的具有实验性质[插图]的低延迟垃圾收集器，是由Oracle公司研发的。2018年Oracle创建了JEP 333将ZGC提交给OpenJDK，推动其进入OpenJDK 11的发布清单之中。

ZGC和Shenandoah的目标是高度相似的，都希望在尽可能对吞吐量影响不太大的前提下，实现在任意堆内存大小下都可以把垃圾收集的停顿时间限制在十毫秒以内的低延迟。但是ZGC和Shenandoah的实现思路又是差异显著的。

ZGC收集器是一款基于Region内存布局的，（暂时）不设分代的，使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-整理算法的，以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。

并发整理算法的实现

Shenandoah使用转发指针和读屏障来实现并发整理，ZGC虽然同样用到了读屏障，但用的却是一条与Shenandoah完全不同，更加复杂精巧的解题思路。

ZGC收集器有一个标志性的设计是它采用的染色指针技术（Colored Pointer），直接把标记信息记在引用对象的指针上。指针对于计算机来讲，它也是一个信息的载体，但是目前而言，内存中的理论可访问信息是远大于实际需求的，尽管Linux高18位不能用来寻址，但剩余的46位也足以满足需求，所以ZGC团队就将指针信息载体进行染色，将其高4位用来存储四个记号信息，通过这些标志位，虚拟机可以直接从指针中看到其引用对象的三色标记状态、是否进入了重分配集（即被移动过）、是否只能通过finalize()方法才能被访问到。

由于这些标志位进一步压缩了原本就只有46位的地址空间，也直接导致ZGC能够管理的内存不可以超过4TB（2的42次幂）。

染色指针的三大优势：

染色指针可以使得一旦某个Region的存活对象被移走之后，这个Region立即就能够被释放和重用掉，而不必等待整个堆中所有指向该Region的引用都被修正后才能清理。
染色指针可以大幅减少在垃圾收集过程中内存屏障的使用数量，设置内存屏障，尤其是写屏障的目的通常是为了记录对象引用的变动情况，如果将这些信息直接维护在指针中，显然就可以省去一些专门的记录操作。
染色指针可以作为一种可扩展的存储结构用来记录更多与对象标记、重定位过程相关的数据，以便日后进一步提高性能。

Java虚拟机作为一个普普通通的进程，这样随意重新定义内存中某些指针的其中几位，操作系统是否支持？处理器是否支持？

这里面的解决方案要涉及虚拟内存映射技术。把染色指针中的标志位看作是地址的分段符，那只要将这些不同的地址段都映射到同一个物理内存空间，经过多重映射转换后，就可以使用染色指针正常进行寻址了。

ZGC的运作过程大致可划分为以下四个大的阶段

并发标记（Concurrent Mark）：并发标记是遍历对象图做可达性分析的阶段，与G1、Shenandoah不同的是，ZGC的标记是在指针上而不是在对象上进行的，标记阶段会更新染色指针中的Marked 0、Marked 1标志位。
并发预备重分配（Concurrent Prepare for Relocate）：这个阶段需要根据特定的查询条件统计得出本次收集过程要清理哪些Region，ZGC划分Region的目的并非为了像G1那样做收益优先的增量回收，而实用范围更大的扫描成本换取省去G1中记忆集的维护成本。此外，在JDK12的ZGC中开始支持的类卸载以及弱引用的处理，也是在这个阶段中完成的。
并发重分配（Concurrent Relocate）：重分配是ZGC执行过程中的核心阶段，这个过程要把重分配集中的存活对象复制到新的Region上，并为重分配集中的每个Region维护一个转发表（Forward Table），记录从旧对象到新对象的转向关系。得益于染色指针的支持，ZGC收集器能仅从引用上就明确得知一个对象是否处于重分配集之中，如果用户线程此时并发访问了位于重分配集中的对象，这次访问将会被预置的内存屏障所截获，然后立即根据Region上的转发表记录将访问转发到新复制的对象上，并同时修正更新该引用的值，使其直接指向新对象，ZGC将这种行为称为指针的“自愈”（Self-Healing）能力。
并发重映射（Concurrent Remap）：重映射所做的就是修正整个堆中指向重分配集中旧对象的所有引用。ZGC的并发重映射并不是一个必须要“迫切”去完成的任务，因为前面提到ZGC有"自愈"能力，最坏也就多跳转一层，这时候，一旦所有指针都被修正之后，原来记录新旧对象关系的转发表就可以释放掉了。

ZGC收集器性能

ZGC的设计理念是迄今垃圾收集器研究的最前沿成果，可是，必定要有优有劣才会称作权衡，ZGC的这种选择[插图]也限制了它能承受的对象分配速率不会太高，目前唯一的办法就是尽可能地增加堆容量大小，获得更多喘息的时间。
ZGC还有一个常在技术资料上被提及的优点是支持“NUMA-Aware”非统一内存访问架构的内存分配。由于摩尔定律逐渐失效，现代处理器因频率发展受限转而向多核方向发展，这就造成了如果要访问被其他处理器核心管理的内存，就必须通过Inter-Connect通道来完成，这要比访问处理器的本地内存慢得多，ZGC收集器会优先尝试在请求线程当前所处的处理器的本地内存上分配对象，以保证高效内存访问。
在ZGC的“弱项”吞吐量方面，以低延迟为首要目标的ZGC已经达到了以高吞吐量为目标Parallel Scavenge的99%，直接超越了G1。
ZGC均能毫不费劲地控制在十毫秒之内