1 低延迟高可用Java服务的痛点

对于低延迟和高可用的Java服务，GC停顿一直是它们的痛点。
例如一个服务，被要求在100ms内要返回结果，服务可用性要求为99.99%。假设服务收到的请求速率稳定， GC的平均停顿时间为50ms，每分钟GC 5次，服务的平均响应耗时为60ms，则0.4%(5*50ms/60000ms)的请求处理时间会因为GC停顿增加50ms，服务的可用性最低可能为99.6%，无法满足可用性要求。

ZGC（The Z Garbage Collector）是JDK 11中推出的一款低延迟垃圾回收器，可用于大内存低延迟服务的内存管理和回收。

2 GC基础概念

垃圾：不再使用的对象。在JVM中，指的是一个没有引用指向的对象，或者仅包含循环引用的多个对象。
GC：Garbage Collection,垃圾回收
STW：Stop The World，GC的停顿时间，此时所有用户线程停止活动，等待GC线程完成垃圾回收。
用户线程：用于执行业务逻辑的线程。
GC线程：用于垃圾收集的线程。
并发：在多核条件下，用户线程和GC线程同时执行。
并行：在多核条件下，多个GC线程同时执行。

3 ZGC简介

3.1 特点

单代内存管理
内存分页管理：使用小、中、大三种粒度。

3.2 优点

停顿时间不会随着堆内存的增大而增长：ZGC几乎所有暂停都只依赖于根集合大小，停顿时间不会随着堆内存的大小而增加。
单次停顿时间控制在10ms之内。在实际项目中通常停顿时间小于15ms。

3.3 缺点

吞吐量低，不适合吞吐量优先的程序。
CPU占用率偏高：在实际项目中，服务使用zgc后，机器CPU负载会增加10%
对机器CPU负载敏感：在实际项目中，发现机器的CPU负载达到到60%以上，ZGC的内存回收速度会下降，导致GC周期增长。
存在浮动垃圾。
当内存回收速度低于分配速度，可用内存不足时，会退化成阻塞回收，所有用户线程暂停，直到GC完成。

4 低延迟的原因

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的最关键原因。
ZGC 只有 3 个需要 STW 的阶段，其中初始标记和初始转移只需要扫描所有根集合，STW 时间根集合的数量成正比，不会耗费太多时间。再标记过程主要处理并发标记引用地址发生变化的对象，这些对象数量比较少，耗时非常短。

初始标记：从根集合出发，标记根集合所有引用的对象。需要STW。
并发标记：以第1步找到的标记对象为起点，进行遍历和标记。
再标记：完成对并发标记过程中尚未标记的对象的标记。需要STW。
并发转移准备：确定需要清理的页面
初始转移：将需要清理的页面中，根集合引用对象移动到新页面。需要STW。
并发转移：将需要清理的页面中，存活对象移动到新页面。

5 关键技术

5.1 内存多重映射

内存多重映射，就是把不同的虚拟内存地址映射到同一个物理内存地址上。
ZGC 使用了内存多重映射，把同一块儿物理内存映射为 Marked0、Marked1 和 Remapped 三个虚拟内存。
Marked0、Marked1 和 Remapped 这三个虚拟内存作为 ZGC 的三个视图空间，在同一个时间点内只能有一个有效。ZGC 就是通过这三个视图空间的切换，来完成并发的垃圾回收。

5.2 着色指针

着色指针是一种将信息存储在指针中的技术。
ZGC 出现之前， GC 信息保存在对象头的 Mark Word 中。
ZGC将对象存活信息存储在42~45位中。

JVM 可以从指针上直接看到对象的三色标记状态（Marked0、Marked1）、是否进入了重分配集（Remapped）、是否需要通过 finalize 方法来访问到（Finalizable）。无需进行对象访问就可以获得 GC 信息，这大大提高了 GC 效率。

5.3 内存布局

为了细粒度地控制内存的分配，ZGC将内存分为小、中、大三种页面：

小页面（Small Page）：容量固定为2MB，用于放置小于256KB的小对象。
中页面（Medium Page）：容量固定为32MB，用于放置大于等于256KB但小于4MB的对象。
大页面（Large Page）：容量不固定，可以动态变化，但必须为2MB的整数倍，用于放置4MB或以上的大对象。每个大型Region中只会存放一个大对象。

5.4 读屏障

读屏障是JVM向应用代码插入一小段代码的技术。
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。
当应用线程从堆中读取对象引用时，就会执行这段代码。

Object o = obj.FieldA
<Load barrier>
Object p = o //不是从堆中读取引用
o.dosomething() //不是从堆中读取引用
int i =  obj.FieldB //不是引用类型

6 异常情况说明

6.1 GC异常情况

如果内存分配速度大于回收速度，在GC执行过程中，服务可能无可用内存，这时ZGC会进入阻塞回收模式。所有的用户线程会停止，直到GC执行完毕。
这种情况，在ZGC中称之为“Allocation Stall”

6.2 内存分配异常

"Page Cache Flush"问题影响分配速度：

如果各种大小对象分配速度不稳定，比如中等大小的对象突然变多，中页面不足，那么就需要把小页面或者大页面转换成中页面，转换比较耗时，从而影响内存分配速度。
GC日志中的关键字为“Page Cache Flush”。

7 GC日志

7.1 GC触发时机

ZGC有多种GC触发机制，具体如下：

阻塞内存分配请求触发：当垃圾来不及回收，可用内存不足时触发。应当避免出现这种触发方式。日志中关键字是“Allocation Stall”。
基于分配速率的自适应算法：最主要的GC触发方式，其算法原理可简单描述为”ZGC根据近期的对象分配速率以及GC时间，计算出当内存占用达到什么阈值时触发下一次GC”。日志中关键字是“Allocation Rate”。
基于固定时间间隔：日志中关键字是“Timer”。
主动触发规则：类似于固定间隔规则，但时间间隔不固定，是ZGC自行算出来的时机。日志中关键字是“Proactive”。
预热规则：服务刚启动时出现，一般不需要关注。日志中关键字是“Warmup”。
外部触发：代码中显式调用System.gc()触发。日志中关键字是“System.gc()”。
元数据分配触发：元数据区不足时导致，一般不需要关注。日志中关键字是“Metadata GC Threshold”。

7.2 GC日志解读

GC日志中每一行都注明了GC过程中的信息，关键信息如下：

Start：开始GC，并标明的GC触发的原因。
Phase-Pause Mark Start：初始标记，会STW。
Phase-Pause Mark End：再次标记，会STW。
Phase-Pause Relocate Start：初始转移，会STW。

GC信息统计：定时的打印垃圾收集信息，标注了10秒内、10分钟内、10个小时内的统计信息。
如下图所示。

8 常用GC参数

以jdk11为例，如下是一个程序的GC参数：

java -Xms256m -Xmx256m -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -XX:ConcGCThreads=2 -XX:ParallelGCThreads=3 -XX:ZCollectionInterval=60 -XX:ZAllocationSpikeTolerance=4 -XX:+ZProactive -Xlog:gc*:file=gc.log:time,tid,tags -cp work.jar Main

内存大小：

-Xms：堆的最大内存
-Xmx：堆最小内存

启用zgc:

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC：启用ZGC的配置。

GC线程数设置：

-XX:ConcGCThreads：并发回收垃圾的线程。示例中是2，默认是总核数的12.5%。调大后GC变快，但会占用程序运行时的CPU资源，吞吐会受到影响。
-XX:ParallelGCThreads：STW阶段使用线程数，示例中是3，默认是总核数的60%。

触发方式设置：

-XX:ZCollectionInterval：ZGC发生的最小时间间隔，单位秒。示例中是60秒。
-XX:ZAllocationSpikeTolerance：ZGC触发自适应算法的修正系数，默认2，数值越大，越早的触发ZGC。示例中是4。
ZProactive：是否启用主动回收，默认开启。 -XX:-ZProactive代表关闭

9 调优案例

9.1 服务改为ZGC后，STW时间增加

背景：

服务将GC从G1改为ZGC后，晚高峰STW停顿时间上升。

分析：

观察GC日志，主要是初始标记和初始转移耗时高导致。
该服务内有大量永久生存的对象，导致从根节点扫描和转移耗时较久。

解决方法：

使用堆外内存的方式将对象从堆中移出。

9.2 流量突增，服务出现阻塞分配的情况

背景：

服务将GC从G1改为ZGC，在应对突发流量时，停顿时间过长，GC日志出现大量“Allocation Stall”。

分析：

出现突发流量，内存分配速度高于回收速度。
在出现”Allocation Stall“之前，两次GC的间隔时间基本为0.
尝试增大GC的线程数，发现无明显效果。
将内存增大30%，“Allocation Stall”消失，两次GC间隔时间变长。