一、G1回收器

1.1、G1的缺陷

空间上，支持部分回收，为了进行部分回收，G1实现了RSet管理对象的引用关系，内存利用率不高，通常引用关系的处理需要额外消耗内存，一般占整个内存的1%~20%左右；
时间上，支持几十个GB或者上百个GB，不能支持特大内存，特别是在内存容量高于100GB的系统中，会因内存过大而导致停顿时间增长；内存过大的话，对象复制更加耗时，G1中的STW停顿时间主要来自垃圾回收（YGC和混合回收）阶段中的复制算法，在复制算法中，需要把对象转移到新的空间中，并且更新其他对象到这个对象的引用。实际中对象的转移涉及内存的分配和对象成员变量的复制，而对象成员变量的复制是非常耗时的。在G1中对象的转移都是在STW中并行执行的，而ZGC就是把对象的转移也并发执行，从而满足停顿时间在10ms以下。

二、ZGC回收器

2.1、概述

JDK11；不支持32位，支持64位OS；停顿10ms以内；理论上最大支持16TB超大内存。

2.2、分区模型

三种大小页面组成堆空间：

小页面（2M）：存放的对象大小<256K
中页面（32M）：存放的对象大小256K~4M
大页面（>32M）：存放的对象大小>4M

2.3、着色指针

优点：相对于G1等传统垃圾回收器在堆空间的每个对象头中处理的效率更高，ZGC不去堆中只在地址引用占几位，寄存器访问更快。

蓝色：初始化过，未被GC回收器扫到
绿色：被扫到（过程M0，第n个GC周期）
红色：被扫到（过程M1，第n+1个GC周期）

绿色和红色互相代表本次和上次GC的标记色。
在这里插入图片描述

2.4、过程

STW初始标记（与roots直连对象）
并发标记（三色标记）/重定位
STW再标记（处理漏标、SATB（读屏障+多视图映射））
并发转移准备（筛选分区）
STW初始转移（与roots直连对象）
并发转移（转发表、读屏障）

在这里插入图片描述

2.4.1、初始标记

假设存在如下图对象之间的引用关系：
ABC蓝

最开始对象ABC的引用指针都蓝。Ps，若存在垃圾Z，则无引用，更无颜色之说。
初始标记阶段会扫描根GC Roots（不在堆里）到其直连的对象A之间的引用，将其到A的引用置为绿色。

一般而言，这类对象比较有限比较少，所以STW很短在1ms内，且STW时长跟堆大小无关，只跟GC Roots对象的多少成正相关。
此时引用如下：
A绿BC蓝

2.4.2、并发标记/重定位

并发标记阶段对每个直连roots的对象A1、A2等等，标记从A1A2开始的所有引用对象，实际中会很多B1B2C1C2等。同样ZGC的并发标记阶段同CMS和G1一样，也使用三色标记的深度算法。

使用三色标记同样也会有漏标的问题，ZGC处理漏标，同G1类似也是通过堆栈快照SATB（snapshot-at-the-begining），只是ZGC对SATB的实现是基于读屏障+多视图映射。
读屏障（不是每个对象都加）类似于AOP，遇到读引用的代码，插入beforeAOP操作，将改变的引用关系存下来。比如：

时刻1：A.name=null，三色标记中A已经是黑色；
时刻2：A.name=C，对黑色的A对象进行类似属性读取的操作叫做读引用，此时做beforeAOP操作存下引用的改变，等待接下来再标记阶段处理可能漏标的C。
Ps：G1采用的写屏障（读比写效率高）
此时，若没有漏标（最乐观）ABC都绿，但可能C漏标所以AB绿C还蓝。如下，
C漏标

2.4.3、再标记

再标记阶段处理漏标，STW一般在1ms内。对可能是蓝色的漏标的C置为绿色。此时ABC都绿，如下，

2.4.4、并发转移准备

并发转移准备阶段统计哪些页面要回收或不要回收，作用类似于G1的筛选回收阶段。

进行分区中的筛选（有垃圾的，有对象的页面），进行选择性分区回收。比如，该阶段会筛选出页面B不需要回收，而页面A需要回收。

2.4.5、初始转移

初始转移阶段会STW，将与GC Roots直连（“初始”标记一样的意义）的对象转移到另外的分区即页面。

将A挪到页面B，同时A的引用地址改变，所以新引用的颜色变为蓝色。这类对象同样比较有限，所以STW很短在1ms内，且STW时长跟堆大小无关，只跟GC Roots对象多少有关。
此时A蓝BC绿，如下，
在这里插入图片描述

2.4.6、并发转移

并发转移阶段处理非GC Roots直连对象的转移，比如上图中对象A引用的BC等对象，将其转移到页面B。

但是因为该阶段是并发的操作，业务线程使用的BC的引用指针仍旧是绿色的旧的指针，只是BC对象本身被转移到了页面B。
所以需要借助页面A中的转发表存放BC对象的新旧地址，才能让业务线程找到BC新的地址。如下，
并发转移

并且只有当触发了BC的读引用或读屏障后，通过转发表找到新地址，修复BC的旧的绿色的指针，并在转发表中删除已修正的对象引用信息。读屏障代码大约4%性能开销。

那么如果BC对象没有被业务线程读取，触发不到读屏障，ZGC是怎么处理的？
这种情况下，开始下一GC周期的初始标记阶段，新的GC周期使用标记色红色，对页面B中的A对象引用标记为红色，然后进入并发标记/对象重定位阶段，ZGC对页面A中上一次GC未修正的绿色的指针，进行修正，即在页面B中，将BC的引用颜色也置为红色，同时会从页面A中的转发表里删除BC对象的信息。如下，
在这里插入图片描述

为什么着色指针需要绿色和红色两种标记色，因为本次GC需要修正上次GC未处理的引用，着色指针需要相邻两次GC周期的两种不同标记色以作区分，作用等同于YGC复制算法中的两块Survivor区。

2.5、总结

【ZGC的优势】：

多阶段并发，STW短，GC快
调优参数少调优方便
适合越来越大的堆内存

【ZGC快的原因】：

着色指针的使用
三种大小页面的分区模型
复制算法无碎片，清理效率高
三次STW处理的对象数量很有限
相比上一代G1，ZGC将转移也并发了

浅谈Java垃圾回收器之二

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