JVM的ZGC/Shenandoah的并发标记与重分配：理解低延迟的实现原理 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始今天的讲座，主题是JVM的ZGC/Shenandoah的并发标记与重分配，重点在于理解它们如何实现低延迟。这两种垃圾收集器（GC）都致力于实现停顿时间（Pause Time）的最小化，即使在处理大型堆时也能保持高性能。

1. 引言：低延迟GC的需求与挑战

传统的垃圾收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First），虽然在吞吐量方面表现不错，但在停顿时间上仍然存在瓶颈。Stop-the-World（STW）式的垃圾收集会导致应用程序暂停执行，从而影响用户体验。在高并发、对延迟敏感的应用场景下，这种停顿是不可接受的。

因此，ZGC和Shenandoah应运而生，它们的设计目标是：

低停顿时间： 尽可能减少STW停顿的时间，目标是10ms甚至更低。
高吞吐量： 在保证低停顿的同时，尽可能减少GC对应用程序性能的影响。
可扩展性： 能够处理TB级别的堆内存。

实现这些目标的关键在于并发性——尽可能将GC的大部分工作与应用程序并行执行。

2. ZGC：着色指针与读屏障

ZGC（Z Garbage Collector）是JDK 11中引入的低延迟GC。它的核心思想是：

着色指针（Colored Pointers）： ZGC使用64位指针中的一部分来存储元数据，例如对象的颜色（标记状态）、是否需要重定位等。这避免了在对象头中存储这些信息，从而减少了内存占用。
读屏障（Load Barrier）： 当应用程序读取对象引用时，会触发读屏障代码。读屏障会检查指针的颜色，如果对象正在被移动，则会更新引用到新的位置。

2.1 着色指针的原理

ZGC使用64位地址空间，但实际上只使用了其中的42位（在某些架构上可能是更多）。剩余的22位用于存储元数据。这意味着ZGC可以管理的最大堆大小为4TB（2^42 bytes）。

着色指针的结构如下：

+-----------------------------------------------------------------+
|  Bit  | 63 | 62 | 61 | 60 | 59-42 | 41-0 |
+-----------------------------------------------------------------+
| Field | Finalizable | Remapped | Marked1 | Marked0 | Offset  | Address |
+-----------------------------------------------------------------+

Address (42 bits): 实际的对象地址。
Offset (18 bits): 在NUMA系统中用来提高性能，表示到NUMA节点起始地址的偏移量。
Marked0/Marked1 (1 bit each): 用于并发标记，在不同的标记周期中使用不同的位，避免竞争。
Remapped (1 bit): 指示对象是否已经被重定位（移动）。
Finalizable (1 bit): 指示对象是否需要进行finalization。

2.2 ZGC的并发流程

ZGC的主要并发阶段包括：

并发标记（Concurrent Mark）： 遍历堆中的所有可达对象，标记为“live”。ZGC使用多轮标记，通过着色指针来区分不同的标记周期。
并发重定位（Concurrent Relocate）： 选择需要移动的对象（例如，为了压缩堆空间），并更新所有指向这些对象的引用。这是ZGC的关键步骤，也是实现低停顿的关键。
并发重映射（Concurrent Remap）： 在重定位之后，需要更新应用程序中的所有指向旧地址的引用。ZGC通过读屏障来完成这个任务。

2.3 读屏障的实现

读屏障是ZGC的核心机制。当应用程序读取一个对象引用时，读屏障会被触发。读屏障会检查指针的Remapped位。如果Remapped位为1，表示对象已经被移动，读屏障会将引用更新到新的地址。

以下是一个简化的读屏障的伪代码：

Object readReference(Object ref) {
  if (isRemapped(ref)) {
    ref = remap(ref); // 更新引用
  }
  return ref;
}

boolean isRemapped(Object ref) {
  return (ref.address & REMAPPED_BIT_MASK) != 0;
}

Object remap(Object ref) {
  long address = ref.address;
  long newAddress = lookupNewAddress(address); // 查找新地址
  ref.address = newAddress; // 更新引用
  return ref;
}

lookupNewAddress函数负责查找对象的新地址。这个函数通常使用一个映射表来存储旧地址和新地址之间的对应关系。

2.4 ZGC的STW阶段

ZGC仍然需要一些STW阶段，但这些阶段非常短，通常在几毫秒内完成。这些阶段主要用于：

初始化GC周期： 准备标记和重定位所需的元数据。
根扫描： 扫描根对象（例如，静态变量、线程栈中的局部变量）。ZGC通过并发扫描根对象来减少停顿时间，但仍然需要一个初始的STW阶段来启动并发扫描。
更新引用： 在重定位之后，需要更新一些特殊的引用，例如，WeakReference、SoftReference等。

3. Shenandoah：连接矩阵与转发指针

Shenandoah是另一个低延迟GC，由Red Hat开发。它的核心思想是：

连接矩阵（Connection Matrix）： Shenandoah使用一个全局的连接矩阵来跟踪对象之间的引用关系。这使得Shenandoah可以并发地更新引用，而不需要读屏障。
转发指针（Forwarding Pointers）： 当一个对象被移动时，Shenandoah会在旧地址上留下一个转发指针，指向新的地址。

3.1 连接矩阵的原理

连接矩阵是一个二维数组，用于表示堆中不同区域之间的引用关系。矩阵的行和列表示堆的不同区域，矩阵中的每个元素表示从一个区域到另一个区域的引用数量。

连接矩阵可以用于快速确定哪些区域包含指向正在移动的对象引用的区域，从而实现并发的引用更新。

3.2 Shenandoah的并发流程

Shenandoah的主要并发阶段包括：

并发标记（Concurrent Mark）： 遍历堆中的所有可达对象，标记为“live”。
并发重定位（Concurrent Relocate）： 选择需要移动的对象，并在旧地址上留下一个转发指针。
并发更新引用（Concurrent Update References）： 使用连接矩阵来确定哪些区域包含指向正在移动的对象的引用，并并发地更新这些引用。
并发清除（Concurrent Cleanup）： 清理不再使用的区域。

3.3 转发指针的原理

当Shenandoah移动一个对象时，它会在旧地址上留下一个转发指针，指向新的地址。当应用程序访问旧地址时，会通过转发指针自动跳转到新的地址。

这使得Shenandoah可以并发地更新引用，而不需要读屏障。应用程序仍然可以访问旧地址，但会自动被重定向到新的地址。

3.4 Shenandoah的STW阶段

Shenandoah的STW阶段也比较短，主要用于：

初始化GC周期： 准备标记和重定位所需的元数据。
根扫描： 扫描根对象。
最终更新引用： 更新一些特殊的引用。

4. ZGC与Shenandoah的对比

特性	ZGC	Shenandoah
核心机制	着色指针、读屏障	连接矩阵、转发指针
引用更新方式	读屏障：在读取对象引用时，检查是否需要更新。	连接矩阵：跟踪对象之间的引用关系，并发更新引用。
内存占用	着色指针减少了内存占用，但读屏障会增加CPU开销。	连接矩阵会占用额外的内存，但避免了读屏障的CPU开销。
停顿时间	通常非常短，目标是10ms以下。	也非常短，目标是10ms以下。
适用场景	对延迟非常敏感的应用，例如，实时系统、金融交易系统。	对延迟非常敏感的应用，但对内存占用不敏感。
优点	停顿时间短且稳定。易于配置和使用。 * 对应用程序代码的侵入性较小。	停顿时间短且稳定。并发更新引用，避免了读屏障的CPU开销。
缺点	读屏障会增加CPU开销。着色指针限制了堆的大小（4TB）。	连接矩阵会占用额外的内存。实现较为复杂。

5. 代码示例：简化的ZGC读屏障实现

以下是一个简化的ZGC读屏障的Java代码示例：

public class ZGCExample {

    private static final long REMAPPED_BIT_MASK = 0x4000000000000000L; // 62nd bit

    private static class ObjectReference {
        private long address;

        public ObjectReference(long address) {
            this.address = address;
        }

        public long getAddress() {
            return address;
        }

        public void setAddress(long address) {
            this.address = address;
        }
    }

    public static ObjectReference readReference(ObjectReference ref) {
        if (isRemapped(ref)) {
            ref = remap(ref);
        }
        return ref;
    }

    private static boolean isRemapped(ObjectReference ref) {
        return (ref.getAddress() & REMAPPED_BIT_MASK) != 0;
    }

    private static ObjectReference remap(ObjectReference ref) {
        long address = ref.getAddress();
        long newAddress = lookupNewAddress(address);
        ref.setAddress(newAddress);
        return ref;
    }

    private static long lookupNewAddress(long oldAddress) {
        // 在实际的ZGC实现中，这里会使用一个映射表来查找新地址。
        // 为了简化示例，我们假设新地址是旧地址加上一个偏移量。
        return oldAddress + 0x1000;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ObjectReference ref = new ObjectReference(0x1234567890L);
        System.out.println("Original address: 0x" + Long.toHexString(ref.getAddress()));

        // 模拟对象被移动
        ref.setAddress(ref.getAddress() | REMAPPED_BIT_MASK); // 设置Remapped位
        System.out.println("Address after relocation: 0x" + Long.toHexString(ref.getAddress()));

        // 读取引用，触发读屏障
        ObjectReference newRef = readReference(ref);
        System.out.println("Address after read barrier: 0x" + Long.toHexString(newRef.getAddress()));
    }
}

6. 总结与展望

ZGC和Shenandoah都采用了并发标记和重定位的技术，成功地实现了低延迟的垃圾收集。ZGC使用着色指针和读屏障，而Shenandoah使用连接矩阵和转发指针。这两种GC都有其优点和缺点，适用于不同的应用场景。

未来的垃圾收集器将继续朝着低延迟、高吞吐量、可扩展性的方向发展。随着硬件技术的进步和算法的优化，我们可以期待更加高效的垃圾收集器出现。

核心技术的概括：

ZGC通过着色指针和读屏障实现了并发的垃圾收集，减少了停顿时间。
Shenandoah使用连接矩阵和转发指针，避免了读屏障的CPU开销。
这两种GC都是低延迟垃圾收集器的代表，适用于对延迟敏感的应用场景。

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