JDK 11中的ZGC-一种可扩展的低延迟垃圾收集器

# 背景
正如我们所知道的在JDK 11中即将迎来ZGC(The Z Garbage Collector)，这是一个处于实验阶段的，可扩展的低延迟垃圾回收器。本文整合了外网几篇介绍ZGC的文章和代码。

# 目标
* 每次GC STW的时间不超过10ms
* 能够处理从几百M到几T的JAVA堆
* 与G1相比，吞吐量下降不超过15%
* 为未来的GC功能和优化利用有色对象指针(colored oops)和加载屏障(load barriers)奠定基础
* 初始支持Linux/x64

# 描述
ZGC的特点：
* 并发
* 基于Region的
* 标记整理
* NUMA感知
* 使用colored oops
* 使用load barrier
仅root扫描时STW，因此GC暂停时间不会随堆的大小而增加。

ZGC的核心原则是将load barrier与colored oops结合使用。这使得ZGC能够在Java应用程序线程运行时执行并发操作，例如对象迁移时。
从Java线程的角度来看，在Java对象中加载引用字段的行为受到load barrier的影响。除了对象地址之外，colored oops还包含load barrier使用的信息，以确定在允许Java线程使用指针之前是否需要采取某些操作。
例如，对象可能已迁移，在这种情况下，load barrier将检测情况并采取适当的操作。

与其他替代技术相比，colored oops提供了如下非常有吸引力的特性：
* 它允许ZGC在对象迁移和整理阶段回收和重用内存。这有助于降低一般堆开销。这也意味着不需要为Full GC实现一个单独的标记整理算法。
* 目前在colored oops中仅存储标记和对象迁移相关信息。然而，这种方案的通用性使我们能够存储任何类型的信息（只要我们可以将它放入指针中）并让load barrier根据该信息采取它想要的任何动作。比如，在异构内存环境中，这可以用于跟踪堆访问模式，以指导GC对象迁移策略，将很少使用的对象移动到冷存储。

ZGC可以并发执行下面的任务:
* 标记
* 引用处置
* relocation集选择
* 迁移和整理

# 性能
以下是基于同一基准的GC暂停时间。请注意，确切的数字取决于所使用的确切机器和设置。

ZGC
avg: 1.091ms (+/-0.215ms)
95th percentile: 1.380ms
99th percentile: 1.512ms
99.9th percentile: 1.663ms
99.99th percentile: 1.681ms
max: 1.681ms

G1
avg: 156.806ms (+/-71.126ms)
95th percentile: 316.672ms
99th percentile: 428.095ms
99.9th percentile: 543.846ms
99.99th percentile: 543.846ms
max: 543.846ms

# 限制
* 当前版本不支持类卸载
* 当前版本不支持JVMCI
JVMCI是JDK 9 引入的JVM编译器接口。这个接口允许用Java编写的编译器被JVM用作动态编译器。JVMCI的API提供了访问VM结构、安装编译代码和插入JVM编译系统的机制。现有支持Java编译器的项目主要是 Graal 和 Metropolis 。

# 如何工作的
## 指针标记
在x64系统上，引用是64位的, ZGC重新定义了引用结构

```
//  +-------------------+-+----+-----------------------------------------------+
//  |00000000 00000000 0|0|1111|11 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111|
//  +-------------------+-+----+-----------------------------------------------+
//  |                   | |    |
//  |                   | |    * 41-0 Object Offset (42-bits, 4TB address space)
//  |                   | |
//  |                   | * 45-42 Metadata Bits (4-bits)  0001 = Marked0      (Address view 4-8TB)
//  |                   |                                 0010 = Marked1      (Address view 8-12TB)
//  |                   |                                 0100 = Remapped     (Address view 16-20TB)
//  |                   |                                 1000 = Finalizable  (Address view N/A)
//  |                   |
//  |                   * 46-46 Unused (1-bit, always zero)
//  |
//  * 63-47 Fixed (17-bits, always zero)
```
如上表所示, ZGC使用41-0存储对象实际地址的前42位, 42位地址为应用程序提供了理论4TB的堆空间; 45-42位为metadata比特位, 对应于如下状态: finalizable,remapped,marked1和marked0; 46位为保留位，固定为0; 63-47位固定为0.

在引用中添加元数据, 使得解除引用的代价更加高昂, 因为需要操作掩码以获取真实的地址, ZGC采用了一种有意思的技巧, 读操作时是精确知道metadata值的, 而分配空间时, ZGC映射同一页到3个不同的地址，而在任一时间点，这3个地址中只有一个正在使用中。
```
for marked0: (0b0001 << 42) | x
for marked1: (0b0010 << 42) | x
for remapped: (0b0100 << 42) | x
```

实现代码如下:
```
void ZPhysicalMemoryBacking::map(ZPhysicalMemory pmem, uintptr_t offset) const {
  if (ZUnmapBadViews) {
    // Only map the good view, for debugging only
    map_view(pmem, ZAddress::good(offset), AlwaysPreTouch);
  } else {
    // Map all views
    map_view(pmem, ZAddress::marked0(offset), AlwaysPreTouch);
    map_view(pmem, ZAddress::marked1(offset), AlwaysPreTouch);
    map_view(pmem, ZAddress::remapped(offset), AlwaysPreTouch);
  }
}

void ZPhysicalMemoryBacking::unmap(ZPhysicalMemory pmem, uintptr_t offset) const {
  if (ZUnmapBadViews) {
    // Only map the good view, for debugging only
    unmap_view(pmem, ZAddress::good(offset));
  } else {
    // Unmap all views
    unmap_view(pmem, ZAddress::marked0(offset));
    unmap_view(pmem, ZAddress::marked1(offset));
    unmap_view(pmem, ZAddress::remapped(offset));
  }
}
```

采用此方法后, ZGC堆空间结构如下:
```
// Address Space & Pointer Layout
// ------------------------------
//
//  +--------------------------------+ 0x00007FFFFFFFFFFF (127TB)
//  .                                .
//  .                                .
//  .                                .
//  +--------------------------------+ 0x0000140000000000 (20TB)
//  |         Remapped View          |
//  +--------------------------------+ 0x0000100000000000 (16TB)
//  |     (Reserved, but unused)     |
//  +--------------------------------+ 0x00000c0000000000 (12TB)
//  |         Marked1 View           |
//  +--------------------------------+ 0x0000080000000000 (8TB)
//  |         Marked0 View           |
//  +--------------------------------+ 0x0000040000000000 (4TB)
//  .                                .
//  +--------------------------------+ 0x0000000000000000
```

如此带来一个副作用, ZGC无法兼容指针压缩.

## 分页
在G1中，堆内存通常被分为几千个大小相同region。同样的，在ZGC中堆内存也被分成大量的区域，它们被称为page，不同的是，ZGC中page的大小是不同的。
ZGC有3种不同的页面类型：小型（2MB大小），中型（32MB大小）和大型（2MB的倍数）。
在小页面中分配小对象（最大256KB大小），在中间页面中分配中型对象（最多4MB）。大页面中分配大于4MB的对象。大页面只能存储一个对象，与小页面或中间页面相对应。
有些令人困惑的大页面实际上可能小于中等页面（例如，对于大小为6MB的大对象）。

## 标记整理
```
void ZDriver::run_gc_cycle(GCCause::Cause cause) {
  ZDriverCycleScope scope(cause);

// Phase 1: Pause Mark Start
  {
    ZMarkStartClosure cl;
    vm_operation(&cl);
  }

// Phase 2: Concurrent Mark
  {
    ZStatTimer timer(ZPhaseConcurrentMark);
    ZHeap::heap()->mark();
  }

// Phase 3: Pause Mark End
  {
    ZMarkEndClosure cl;
    while (!vm_operation(&cl)) {
      // Phase 3.5: Concurrent Mark Continue
      ZStatTimer timer(ZPhaseConcurrentMarkContinue);
      ZHeap::heap()->mark();
    }
  }

// Phase 4: Concurrent Reference Processing
  {
    ZStatTimer timer(ZPhaseConcurrentReferencesProcessing);
    ZHeap::heap()->process_and_enqueue_references();
  }

// Phase 5: Concurrent Reset Relocation Set
  {
    ZStatTimer timer(ZPhaseConcurrentResetRelocationSet);
    ZHeap::heap()->reset_relocation_set();
  }

// Phase 6: Concurrent Destroy Detached Pages
  {
    ZStatTimer timer(ZPhaseConcurrentDestroyDetachedPages);
    ZHeap::heap()->destroy_detached_pages();
  }

// Phase 7: Concurrent Select Relocation Set
  {
    ZStatTimer timer(ZPhaseConcurrentSelectRelocationSet);
    ZHeap::heap()->select_relocation_set();
  }

// Phase 8: Prepare Relocation Set
  {
    ZStatTimer timer(ZPhaseConcurrentPrepareRelocationSet);
    ZHeap::heap()->prepare_relocation_set();
  }

// Phase 9: Pause Relocate Start
  {
    ZRelocateStartClosure cl;
    vm_operation(&cl);
  }

// Phase 10: Concurrent Relocate
  {
    ZStatTimer timer(ZPhaseConcurrentRelocated);
    ZHeap::heap()->relocate();
  }
}
```
ZGC包含10个阶段，但是主要是两个阶段标记和relocating。
GC循环从标记阶段开始，递归标记所有可达对象，标记阶段结束时，ZGC可以知道哪些对象仍然存在哪些是垃圾。ZGC将结果存储在每一页的位图（称为live map）中。

在标记阶段，应用线程中的load barrier将未标记的引用压入线程本地的标记缓冲区。一旦缓冲区满，GC线程会拿到缓冲区的所有权，并且递归遍历此缓冲区所有可达对象。注意：应用线程负责压入缓冲区，GC线程负责递归遍历。

标记阶段后，ZGC需要迁移relocate集中的所有对象。relocate集是一组页面集合，包含了根据某些标准（例如那些包含最多垃圾对象的页面）确定的需要迁移的页面。对象由GC线程或者应用线程迁移（通过load barrier）。ZGC为每个relocate集中的页面分配了转发表。转发表是一个哈希映射，它存储一个对象已被迁移到的地址（如果该对象已经被迁移）。

GC线程遍历relocate集的活动对象，并迁移尚未迁移的所有对象。有时候会发生应用线程和GC线程同时试图迁移同一个对象，在这种情况下，ZGC使用CAS操作来确定胜利者。

一旦GC线程完成了relocate集的处理，迁移阶段就完成了。虽然这时所有对象都已迁移，但是旧地引用址仍然有可能被使用，仍然需要通过转发表重新映射（remapping）。然后通过load barrier或者等到下一个标记循环修复这些引用。

这也解释了为什么对象引用中有两个标记位（marked0和marked1）。标记阶段交替使用在marked0和marked1位。

## load barrier
它的比较容易和CPU的内存屏障(memory barrier)弄混淆，但是它们是完全不同的东西。

从堆中读取引用时，ZGC需要一个所谓的load barrier（也称为read-barrier）。每次Java程序访问对象字段时，ZGC都会执行load barrier的代码逻辑，例如obj.field。访问原始类型的字段不需要屏障，例如obj.anInt或obj.anDouble。ZGC不使用存储/写入障碍obj.field = someValue。

如标记整理章节所说，根据GC当前所处的阶段，如果尚未标记或迁移引用，则屏障会标记对象或迁移它。

# 思考
## STW为什么这么短
仅root扫描时STW，其他标记、清理、迁移阶段，均通过colored oops和load-barrier配合使用，并发执行。

# 参考资料
JEP 333: ZGC: A Scalable Low-Latency Garbage Collector (Experimental)
http://openjdk.java.net/jeps/333
http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/rev/767cdb97f103
http://hg.openjdk.java.net/zgc/zgc/file/59c07aef65ac/src/hotspot/os_cpu/linux_x86/zGlobals_linux_x86.hpp#l59
http://hg.openjdk.java.net/zgc/zgc/file/59c07aef65ac/src/hotspot/share/gc/z/zPage.hpp#l34

注:只为参考学习