ZGC 源码分析 转载

https://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk12/file/06222165c35f/src/hotspot/share/gc

 

3.2 ZGC的特性
并发
由于停顿时间小于10ms，显而易见的，回收周期绝大部分逻辑将于Mutator并发执行。

基于区域
与G1类似，JAVA Heap被划分为多个Region，但ZGC中Region大小并不唯一。

压缩算法
为了避免内存碎片，需要在回收周期中进行压缩。

支持NUMA
作为下一代垃圾回收算法，支持NUMA是必须的。

使用colored pointers
CMS和G1标记的是对象，而ZGC标记的是对象指针。
 

回收过程

开始标记（STW），标记GC roots
并发的遍历堆中对象，描绘出引用关系
结束标记（STW），记录活动对象和需要回收的对象
并发的relocate准备阶段，弱引用和软引用的处理，类的卸载，relocate集合的选择等
开始relocate（STW），relocate GC roots
并发relocate，这是GC线程和Mutator线程的读屏障都可进行relocate
 

 缺点
不支持分代回收
由于ZGC尚出于实验阶段，且分代代码代码实现较困难，目前ZGC并没有区分新生代和老年代。
因为没有分代，每次回收都会试图并发标记整个JAVA Heap，并发标记过程可能达到分钟级，如果对象分配速率很高的话，在此期间就可能分配出大量对象，导致ZGC处理困难。
后续ZGC会推出分代机制或Thread Local GC修复此问题。

• 不支持指针压缩
  由于引入了colored pointer机制，不再支持指针压缩。而指针压缩对于32GB以下堆有着显著的性能和空间利用率提升。

• 支持操作系统很少
  仅支持Linux/x64，JDK 13中将支持Linux/AArch64

触发GC的时机

ZGC提供四种策略，其中一种满足条件即触发回收：

rule_timer，定时策略，距离上次GC时间超过interval即触发GC
rule_warmup，VM启动后，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
rule_allocation_rate，根据对象分配速率决定是否GC
rule_proactive，主动控制策略，根据距离上次GC增长的堆空间和距离上次GC的时间判断是否触发GC
 

如果对象分配过快，以至于以上四种策略均无法及时回收对象，则在到达阈值后，STW并行回收。

GC触发策略

rule_warmup

• 先判断系统是否已经预热，如果GC次数大于等于3，则不使用rule_warmup策略
• 每当堆空间占用率大于10%、20%、30%时，触发一次GC

rule_allocation_rate

如果VM启动后，从来发生过GC，则不使用rule_allocation_rate
ZGC分配速率的计算与G1不同，采用的是正态分布，置信度为99.9%时，最大内存分配速率为((ZStatAllocRate::avg() * 1) + (ZStatAllocRate::avg_sd() * 3.290527))
ZAllocationSpikeTolerance是个修正参数，默认2，加入该修正系数后，置信度远大于99.9%，计算公式为((ZStatAllocRate::avg() * ZAllocationSpikeTolerance) + (ZStatAllocRate::avg_sd() * 3.290527))
根据最大分配速率，可以计算出到达OOM的剩余时间
同样根据正态分布，取置信度99.9%，计算出最大GC持续时间
当time_until_oom - max_duration_of_gc - sample_interval小于0时，即触发GC
 

rule_proactive

先判断JVM参数ZProactive（默认true），如果是false则不使用rule_proactive
如果VM还没有预热，则不使用rule_proactive
如果距离上次GC，堆内存占用增长小于10%且小于5分钟，则不使用rule_proactive
如果距离上次GC时间超过最大预测GC时间乘49，则触发GC
 

内存管理

ZGC与传统GC不同，标记阶段标记的是指针（colored pointer），而非传统GC算法中的标记对象。ZGC借助内存映射，将多个地址映射到同一个内存文件描述符上，使得ZGC回收周期各阶段能够使用不同的地址访问同一对象

• ZGC使用41-0位记录对象地址，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

内存映射之前需要创建文件描述符，名称为java_heap

• 优先创建内存文件描述符
• 通过syscall函数调用memfd_create创建文件描述符

2.3 分级管理
与操作系统类型，为了便于管理，ZGC也定义了两级结构：虚拟内存和物理内存，分别由ZVirtualMemoryManager和ZPhysicalMemoryManager管理。

ZGC的物理内存并不是通常意义上的物理内存，而仅表示mutator使用的Java heap内存。因此仍然是用户空间虚拟内存，仅为了与Mark0、Mark1、Remapped视图区分。本文中的物理内存，如无特殊说明，特指ZGC中的物理内存。
 

• 物理内存以segment组织，每次分配既分配一个新的segment
• 调用ZMemoryManager alloc_from_front从free list中分配内存area

• 释放物理内存时，与free list前后area比较，如果start或end相等，则合并area
• 否则创建新的area，加入到free list中

• 遍历free list
• 如果内存段size等于申请的size，则返回当前area，并将此area从free list移除
• 如果内存段size大于申请的size，则裁剪此area
• 如果遍历完整个free list仍然无法分配，则触发OOM

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分页

与G1的分区类似，ZGC将堆划分成Page进行管理，不同的是ZGC中Page大小不是固定的，而是分为三种Small、Medium、Large三类。

ZGC有3种不同的页面类型：小型（2MB），中型（32MB）和大型（2MB的倍数）。

large page分配时，需要按small page size对齐，因此large page的size一定是2M的整数倍。
当对象size小于等于256K时（2M / 8），在small page分配
当对象size小于等于4M时（32M / 8），在medium page分配
当对象size大于4M时，在large page分配
 

• 在page中分配，如果成功则返回
• 如果失败，则调用alloc_page函数分配
• JVM参数ZStallOnOutOfMemory，控制是否当空间不足时，是否同步等待GC完成，false表示立即抛出OOM，默认为true。

• 调用ZHeap的alloc_page函数分配page
• 如果分配成功，CAS添加内存占用量

• 调用PageAllocator的alloc_page函数分配page
• 如果分配成功，则将page添加到page table中

根据JVM参数ZStallOnOutOfMemory判断，true则调用alloc_page_blocking，false则调用alloc_page_nonblocking分配page

分配成功后，判断该page是否已经map，如否，则map到marked0、marked1、remapped虚拟内存空间
 

• 获取heap锁，该锁为全局锁
• 调用alloc_page_common分配page
• 如果分配失败，则触发GC并等待，直到分配成功

 

• 首先尝试从page cache中分配，支持NUMA架构，区分local和remote内存
• 然后尝试从pre mapped中分配，预分配内存一般就是xms参数指定的内存区域
• 调用create_page从物理内存（ZPhysicalMemory）直接分配

对象分配

ZGC的对象分配流程大体与G1类似。分配流程图在JVM G1 源码分析（二）- 对象的堆空间分配内。
主要代码在src/hotspot/share/gc/shared目录下，为多个GC算法的共用代码。
ZGC定制逻辑由gc shared代码调用ZCollectedHeap、ZHeap等ZGC派生类实现。
 

2.1 allocate_new_tlab
当线程的TLAB可用内存不足时，MemAllocator的allocate_inside_tlab_slow会调用ZCollectedHeap的allocate_new_tlab申请新的TLAB。

分配前，先对象字节对齐，默认8字节对齐
调用ZHeap的alloc_tlab进行分配

alloc_tlab在校验size合法性后，调用ZObjectAllocator的alloc_object进行分配。

• TLAB的最大size为常量ZObjectSizeLimitSmall，即2MB

由于TLAB max size是2MB，会调用alloc_small_object进行分配。

 

2.2 mem_allocate
当TLAB分配失败时，MemAllocator的allocate_outside_tlab会调用ZCollectedHeap的mem_allocate进行慢分配。

size需要对象对齐，默认8字节对齐
mem_allocate调用ZHeap的alloc_object，进行对象分配。
 

• 调用ZObjectAllocator的alloc_object进行分配；
• 如果分配失败，则调用out_of_memory记录

根据需要分配的size大小，决定调用哪个函数进行分配。

• 当对象size小于等于256K时（2M / 8），在small page分配；
• 当对象size小于等于4M时（32M / 8），在medium page分配；
• 当对象size大于4M时，在large page分配。

• 调用ZPage alloc_object_atomic在页上分配对象
• 如果失败，则先分配新页，然后在新页上分配对象

alloc_object_atomic没有锁，而是通过自旋+CAS实现并发控制，自旋使用CAS分配对象，直到成功或Page没有足够的空间

大对象分配略有不同

• 对象size按2MB对齐
• 分配large page
• 在large page上分配对象

GC回收

GC回收周期包括如下11个子阶段：

phase 1：初始标记，需要STW
phase 2：并发标记
phase 3：标记结束，需要STW
phase 4：并发处理软引用、弱引用
phase 5：并发重置Relocation Set
phase 6：并发销毁可回收页
phase 7：内存验证
phase 8：并发选择Relocation Set
phase 9：并发准备Relocation Set
phase 10：开始Relocate，STW
phase 11：并发Relocate
 

• ZGC自身的触发策略都使用异步消息，包括rule_timer、rule_warmup、rule_allocation_rate、rule_proactive
• metaspace GC使用异步消息
• 其他情况使用同步消息

ZGC使用ZMessagePort类传递消息，ZMessagePort内部使用了ZList队列

同步消息逻辑如下：

• 首先构造request
• request入队
• 通知消费者
• 如果是同步消息，需要等待request处理完

消息消费者负责消费队列中的消息，如果是异步消息，则直接读取类变量_message。

2.3 开始gc cycle
ZDriver启动一个线程，死循环判断是否应该启动gc cycle

start_gc_cycle调用ZMessagePort的receive方法等待启动请求
调用run_gc_cycle方法，执行GC
执行GC后，调用end_gc_cycle，ACK启动请求