如何理解内存布局及GC原理
这篇文章主要介绍"如何理解内存布局及GC原理"，在日常操作中，相信很多人在如何理解内存布局及GC原理问题上存在疑惑，小编查阅了各式资料，整理出简单好用的操作方法，希望对大家解答"如何理解内存布局及GC原理"的疑惑有所帮助！接下来，请跟着小编一起来学习吧！
ZGC （截止目前史上最好的 GC 收集器）
ZGC（The Z Garbage Collector） 是 JDK 11 中推出的一款低延迟垃圾回收器，它的设计目标包括： 在G1的基础上，做了很多改进（JDK 11 开始引入）
停顿时间不超过 10ms；
停顿时间不会随着堆的大小，或者活跃对象的大小而增加；
支持 8MB~4TB 级别的堆（未来支持 16TB）。
从设计目标来看，我们知道 ZGC 适用于大内存低延迟服务的内存管理和回收。本文主要介绍 ZGC 在低延时场景中的应用和卓越表现，文章内容主要分为四部分：
GC 之痛 ：介绍实际业务中遇到的 GC 痛点，并分析 CMS 收集器和 G1 收集器停顿时间瓶颈；
ZGC 原理 ：分析 ZGC 停顿时间比 G1 或 CMS 更短的本质原因，以及背后的技术原理；
ZGC 调优实践 ：重点分享对 ZGC 调优的理解，并分析若干个实际调优案例；
升级 ZGC 效果 ：展示在生产环境应用 ZGC 取得的效果。
GC 之痛
很多低延迟高可用Java服务的系统可用性经常受 GC 停顿的困扰。GC 停顿指垃圾回收期间 STW（Stop The World），当 STW 时，所有应用线程停止活动，等待GC停顿结束。
以美团风控服务为例，部分上游业务要求风控服务 65ms 内返回结果，并且可用性要达到 99.99%。但因为 GC 停顿，我们未能达到上述可用性目标。当时使用的是 CMS 垃圾回收器，单次 Young GC 40ms，一分钟 10 次，接口平均响应时间 30ms。通过计算可知，有（ 40ms + 30ms ) * 10 次 / 60000ms = 1.12%的请求的响应时间会增加 0 ~ 40ms 不等，其中 30ms * 10 次 / 60000ms = 0.5%的请求响应时间会增加 40ms。
可见，GC 停顿对响应时间的影响较大。为了降低 GC 停顿对系统可用性的影响，我们从降低单次 GC 时间和降低 GC 频率两个角度出发进行了调优，还测试过G1垃圾回收器，但这三项措施均未能降低 GC 对服务可用性的影响。
CMS 与 G1 停顿时间瓶颈
介绍ZGC之前，首先回顾一下 CMS 和 G1 的 GC 过程以及停顿时间的瓶颈。CMS 新生代的 Young GC、G1 和 ZGC 都基于标记-复制算法，但算法具体实现的不同就导致了巨大的性能差异。
标记-复制算法应用在 CMS 新生代（ParNew 是 CMS 默认的新生代垃圾回收器）和 G1 垃圾回收器中。
标记-复制算法可以分为四个阶段：
标记阶段，即从 GC Roots 集合开始，标记活跃对象；
清理阶段，即清理所有不活跃的对象
转移阶段，即把活跃对象复制到新的内存地址上；
重定位阶段，因为转移导致对象的地址发生了变化，在重定位阶段，所有指向对象旧地址的指针都要调整到对象新的地址上。
下面以 G1 为例，通过 G1 中标记-复制算法过程（G1 的 Young GC 和 Mixed GC 均采用该算法），分析 G1 停顿耗时的主要瓶颈。G1 垃圾回收周期如下图所示：
G1 的混合回收过程可以分为标记阶段、清理阶段和复制阶段。
标记阶段停顿分析
初始标记阶段 ：
初始标记阶段是指从 GC Roots 出发标记全部直接子节点的过程，该阶段是 STW 的。由于 GC Roots 数量不多，通常该阶段耗时非常短。
并发标记阶段 ：
并发标记阶段是指从 GC Roots 开始对堆中对象进行可达性分析，找出存活对象。该阶段是并发的，即应用线程和 GC 线程可以同时活动。并发标记耗时相对长很多，但因为不是 STW，所以我们不太关心该阶段耗时的长短。
再标记阶段 ：
重新标记那些在并发标记阶段发生变化的对象。该阶段是 STW 的。
清理阶段停顿分析
清理阶段清点出有存活对象的分区和没有存活对象的分区，该阶段不会清理垃圾对象，也不会执行存活对象的复制。该阶段是 STW 的,因此此阶段不会出现浮动对象。
复制阶段停顿分析
复制算法中的转移阶段需要分配新内存和复制对象的成员变量。转移阶段是 STW 的，其中内存分配通常耗时非常短，但对象成员变量的复制耗时有可能较长，这是因为复制耗时与存活对象数量与对象复杂度成正比。对象越复杂，复制耗时越长。（不会存在内存碎片且不适合大对象的赋值迁移）
四个 STW 过程中：
初始标记因为只标记 GC Roots，耗时较短。(STW)
再标记因为对象数少，耗时也较短。
清理阶段因为内存分区数量少，耗时也较短。(STW)
转移阶段要处理所有存活的对象，耗时会较长。(STW)
因此，G1 停顿时间的瓶颈主要是标记-复制中的转移阶段 STW。为什么转移阶段不能和标记阶段一样并发执行呢？主要是 G1 未能解决转移过程中准确定位对象地址的问题。
G1 的 Young GC 和 CMS 的 Young GC，其标记-复制全过程 STW，这里不再详细阐述。
ZGC 原理
全并发的ZGC
与CMS中的ParNew和G1类似，ZGC 也采用标记-复制算法，不过 ZGC对该算法做了重大改进：ZGC 在标记、转移和重定位阶段几乎都是并发的，这是 ZGC 实现停顿时间小于 10ms 目标的最关键原因。
ZGC 垃圾回收周期如下图所示： 
ZGC只有三个 STW 阶段： 初始标记 ， 再标记 ， 初始转移 。
其中，初始标记和初始转移分别都只需要扫描所有 GC Roots，其处理时间和 GC Roots 的数量成正比，一般情况耗时非常短；再标记阶段 STW 时间很短，最多 1ms，超过 1ms 则再次进入并发标记阶段。即，ZGC几乎所有暂停都只依赖于 GC Roots 集合大小，停顿时间不会随着堆的大小或者活跃对象的大小而增加。与 ZGC 对比，G1的转移阶段完全STW的，且停顿时间随存活对象的大小增加而增加。
ZGC只有三个 STW 阶段：初始标记 ， 再标记 ， 初始转移 。其中，初始标记和初始转移分别都只需要扫描所有 GC Roots，其处理时间和 GC Roots 的数量成正比，一般情况耗时非常短；再标记阶段 STW 时间很短，最多1ms，超过1ms则再次进入并发标记阶段。即，ZGC 几乎所有暂停都只依赖于GC Roots集合大小，停顿时间不会随着堆的大小或者活跃对象的大小而增加。与 ZGC 对比，G1 的转移阶段完全 STW 的，且停顿时间随存活对象的大小增加而增加。
ZGC 关键技术
ZGC 通过着色指针和读屏障技术，解决了转移过程中准确访问对象的问题，实现了并发转移。
大致原理描述如下：并发转移中"并发"意味着 GC 线程在转移对象的过程中，应用线程也在不停地访问对象。假设对象发生转移，但对象地址未及时更新，那么应用线程可能访问到旧地址，从而造成错误。ZGC中，应用线程访问对象将触发"读屏障"，如果发现对象被移动了，那么"读屏障"会把读出来的指针更新到对象的新地址上，这样应用线程始终访问的都是对象的新地址。那么，JVM 是如何判断对象被移动过呢？就是利用对象引用的地址，即着色指针。下面介绍着色指针和读屏障技术细节。
着色指针
着色指针是一种将信息存储在指针中的技术。
ZGC 仅支持 64 位系统，它把 64 位虚拟地址空间划分为多个子空间，如下图所示：
其中，[0~4TB) 对应 Java 堆，[4TB ~ 8TB) 称为 M0 地址空间，[8TB ~ 12TB) 称为 M1 地址空间，[12TB ~ 16TB) 预留未使用，[16TB ~ 20TB) 称为 Remapped 空间。
当应用程序创建对象时，首先在堆空间申请一个虚拟地址，但该虚拟地址并不会映射到真正的物理地址。ZGC 同时会为该对象在 M0、M1 和 Remapped 地址空间分别申请一个虚拟地址，且这三个虚拟地址对应同一个物理地址，但这三个空间在同一时间有且只有一个空间有效。ZGC 之所以设置三个虚拟地址空间，是因为它使用"空间换时间"思想，去降低 GC 停顿时间。"空间换时间"中的空间是虚拟空间，而不是真正的物理空间。后续章节将详细介绍这三个空间的切换过程。
与上述地址空间划分相对应，ZGC 实际仅使用 64 位地址空间的第 0~41 位，而第 42~45 位存储元数据，第 47~63 位固定为 0。ZGC 将对象存活信息存储在 42~45 位中，这与传统的垃圾回收并将对象存活信息放在对象头中完全不同。
读屏障
读屏障是 JVM 向应用代码插入一小段代码的技术。当应用线程从堆中读取对象引用时，就会执行这段代码。需要注意的是，仅"从堆中读取对象引用"才会触发这段代码。
读屏障示例：
Object o = obj.FieldA // 从堆中读取引用，需要加入屏障Object p = o // 无需加入屏障，因为不是从堆中读取引用o.dosomething() // 无需加入屏障，因为不是从堆中读取引用int i = obj.FieldB //无需加入屏障，因为不是对象引用
ZGC 中读屏障的代码作用 ：在对象标记和转移过程中，用于确定对象的引用地址是否满足条件，并作出相应动作。
ZGC 并发处理演示
接下来详细介绍 ZGC 一次垃圾回收周期中地址视图的切换过程：
初始化 ：ZGC 初始化之后，整个内存空间的地址视图被设置为 Remapped。程序正常运行，在内存中分配对象，满足一定条件后垃圾回收启动，此时进入标记阶段。
并发标记阶段 ：第一次进入标记阶段时视图为 M0，如果对象被 GC 标记线程或者应用线程访问过，那么就将对象的地址视图从 Remapped 调整为 M0。所以，在标记阶段结束之后，对象的地址要么是 M0 视图，要么是 Remapped。如果对象的地址是 M0 视图，那么说明对象是活跃的；如果对象的地址是 Remapped 视图，说明对象是不活跃的。
并发转移阶段 ：标记结束后就进入转移阶段，此时地址视图再次被设置为 Remapped。如果对象被 GC 转移线程或者应用线程访问过，那么就将对象的地址视图从 M0 调整为 Remapped。
其实，在标记阶段存在两个地址视图 M0 和 M1，上面的过程显示只用了一个地址视图。之所以设计成两个，是为了区别前一次标记和当前标记。即第二次进入并发标记阶段后，地址视图调整为 M1，而非 M0。
着色指针和读屏障技术不仅应用在并发转移阶段，还应用在并发标记阶段：将对象设置为已标记，传统的垃圾回收器需要进行一次内存访问，并将对象存活信息放在对象头中；而在 ZGC 中，只需要设置指针地址的第 42~45 位即可，并且因为是寄存器访问，所以速度比访问内存更快。
到此，关于"如何理解内存布局及GC原理"的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！
