JVM ZGC/Shenandoah垃圾收集器的并发标记与重分配阶段深度解析

大家好，今天我们来深入探讨JVM中ZGC和Shenandoah这两款前沿垃圾收集器的并发标记与重分配阶段。这两个收集器都以低延迟为目标，它们在垃圾收集的大部分时间内与应用程序并发执行，最大程度地减少了Stop-The-World（STW）停顿。

1. 垃圾收集器概览

在深入细节之前，我们先简单回顾一下垃圾收集的基本概念。垃圾收集器负责自动管理JVM堆内存，它需要完成以下几个关键任务：

内存分配： 为新创建的对象分配内存空间。
垃圾识别： 识别不再被引用的对象（即垃圾）。
内存回收： 回收垃圾对象所占用的内存空间，使其可以被重新利用。

传统的垃圾收集器通常采用分代收集策略，将堆内存划分为新生代和老年代，并针对不同的代采用不同的收集算法。然而，ZGC和Shenandoah 放弃了分代假设，采用更为全局的视角来管理堆内存，它们更关注如何减少 STW 时间。

2. ZGC 与 Shenandoah 的核心思想

ZGC和Shenandoah都是基于Region的垃圾收集器。这意味着堆内存被划分为多个大小相等的Region，每个Region都可以处于不同的状态，例如可用、已分配、垃圾等。它们的共同目标都是在不暂停应用程序的情况下，尽可能多地完成垃圾回收工作。

ZGC 的核心思想：

着色指针 (Colored Pointers)： ZGC 使用指针中的一部分位来存储元数据，例如对象是否存活、是否需要重定位等。这避免了在对象头中存储这些信息，从而简化了并发操作。
读屏障 (Load Barriers)： ZGC 使用读屏障来拦截对对象的引用，以便在对象被移动后更新引用。读屏障会检查指针的颜色，如果需要，则会更新指针指向新的地址。

Shenandoah 的核心思想：

转发指针 (Forwarding Pointers)： Shenandoah 在对象被移动时，会在旧对象的位置放置一个转发指针，指向新的对象位置。
Brooks 屏障 (Brooks Barriers)： Shenandoah 使用 Brooks 屏障来更新引用。Brooks 屏障类似于读屏障，但它会在写操作时执行，确保引用指向最新的对象位置。

3. 并发标记阶段

并发标记阶段是垃圾收集器识别存活对象的过程。 ZGC 和 Shenandoah 都采用三色标记算法，但它们在具体的实现细节上有所不同。

3.1 三色标记算法

三色标记算法将对象分为三种颜色：

白色： 尚未被垃圾收集器访问到的对象。
灰色： 已经被垃圾收集器访问到，但其引用的对象尚未被访问到的对象。
黑色： 已经被垃圾收集器访问到，且其引用的对象也已经被访问到的对象。

标记过程从根对象开始，逐步将对象从白色标记为灰色，再标记为黑色。最终，所有可达的对象都会被标记为黑色，剩下的白色对象则被认为是垃圾。

3.2 ZGC 的并发标记

ZGC的并发标记阶段依赖于着色指针和读屏障。

起始标记 (Initial Mark)： ZGC 首先暂停应用程序很短的时间（通常小于1毫秒），标记根对象为灰色。
并发标记 (Concurrent Mark)： ZGC 启动并发标记线程，从灰色对象开始遍历对象图，将其引用的对象标记为灰色。
- 如果线程遇到一个未着色的指针（即白色对象），它会将该对象标记为灰色，并将指针着色为“已访问”。
- 如果线程遇到一个已经着色的指针，它会根据指针的颜色来判断是否需要进行进一步的处理。
重新标记 (Remark)： 在并发标记完成后，ZGC 会再次暂停应用程序很短的时间，处理并发标记期间发生的引用变化。这通常包括重新扫描根对象，以及处理由于并发更新而导致的漏标对象。
最终标记 (Final Mark)： ZGC 会执行一个最终标记阶段，主要用于处理弱引用等特殊情况。

3.3 Shenandoah 的并发标记

Shenandoah 的并发标记阶段与 ZGC 类似，也采用三色标记算法，但它使用 Brooks 屏障来实现并发更新。

起始标记 (Initial Mark)： Shenandoah 首先暂停应用程序很短的时间，标记根对象为灰色。
并发标记 (Concurrent Mark)： Shenandoah 启动并发标记线程，从灰色对象开始遍历对象图，将其引用的对象标记为灰色。
- 如果线程遇到一个白色对象，它会将该对象标记为灰色。
- Brooks 屏障会拦截对对象的写操作，如果写操作的目标对象是白色对象，则会将该对象标记为灰色。这可以防止并发更新导致的漏标问题。
重新标记 (Remark)： 在并发标记完成后，Shenandoah 会再次暂停应用程序很短的时间，处理并发标记期间发生的引用变化。
清理 (Cleanup)： 清理阶段主要用于处理弱引用等特殊情况。

3.4 代码示例 (伪代码)

为了更好地理解并发标记的过程，我们可以使用伪代码来描述：

// ZGC 并发标记 (简化版)
void concurrentMark(Object obj) {
  if (obj == null || isMarked(obj)) {
    return;
  }

  markGray(obj); // 标记为灰色

  for (Object ref : getReferences(obj)) {
    // 读屏障 (Load Barrier)
    Object actualRef = readBarrier(ref);
    concurrentMark(actualRef);
  }

  markBlack(obj); // 标记为黑色
}

// Shenandoah 并发标记 (简化版)
void concurrentMark(Object obj) {
  if (obj == null || isMarked(obj)) {
    return;
  }

  markGray(obj); // 标记为灰色

  for (Object ref : getReferences(obj)) {
    concurrentMark(ref);
  }

  markBlack(obj); // 标记为黑色
}

// Brooks 屏障 (Write Barrier) - Shenandoah
void writeBarrier(Object obj, Field field, Object value) {
  if (isWhite(value)) {
    concurrentMark(value); // 并发标记白色对象
  }
  field.set(obj, value);
}

4. 并发重分配阶段

并发重分配阶段是将存活对象移动到新的位置，并回收旧对象所占用的内存空间的过程。这是 ZGC 和 Shenandoah 实现低延迟的关键步骤。

4.1 ZGC 的并发重分配

ZGC 的并发重分配依赖于着色指针和读屏障。

选择需要重分配的 Region： ZGC 会选择一些包含大量垃圾的 Region 进行重分配。
并发重分配 (Concurrent Relocate)： ZGC 启动并发重分配线程，将 Region 中的存活对象移动到新的 Region。
- 在移动对象时，ZGC 会更新对象的指针，并将旧对象的位置标记为“已重定位”。
- 读屏障会拦截对对象的引用，如果引用指向一个已经重定位的对象，则会更新引用指向新的地址。
并发重映射 (Concurrent Remap)： 在并发重分配完成后，ZGC 会执行并发重映射阶段，遍历整个堆，更新所有指向已重定位对象的引用。这可以消除读屏障的开销。

4.2 Shenandoah 的并发重分配

Shenandoah 的并发重分配依赖于转发指针和 Brooks 屏障。

选择需要重分配的 Region： Shenandoah 会选择一些包含大量垃圾的 Region 进行重分配。
并发重分配 (Concurrent Relocate)： Shenandoah 启动并发重分配线程，将 Region 中的存活对象移动到新的 Region。
- 在移动对象时，Shenandoah 会在旧对象的位置放置一个转发指针，指向新的对象位置。
- Brooks 屏障会拦截对对象的写操作，如果写操作的目标对象已经被移动，则会将引用更新为指向新的对象位置。
并发更新引用 (Concurrent Update References)： 在并发重分配完成后，Shenandoah 会执行并发更新引用阶段，遍历整个堆，将所有指向旧对象的引用更新为指向新的对象位置。

4.3 代码示例 (伪代码)

// ZGC 并发重分配 (简化版)
void concurrentRelocate(Object obj) {
  if (isRelocated(obj)) {
    return;
  }

  Object newObj = allocateNewObject(obj.getSize());
  copyObject(obj, newObj); // 复制对象到新位置

  // 更新指针，标记旧对象为已重定位
  updatePointer(obj, newObj);
  markRelocated(obj);
}

// 读屏障 (Load Barrier) - ZGC
Object readBarrier(Object ref) {
  if (isRelocated(ref)) {
    // 返回新的对象地址
    return getNewAddress(ref);
  }
  return ref;
}

// Shenandoah 并发重分配 (简化版)
void concurrentRelocate(Object obj) {
  if (isRelocated(obj)) {
    return;
  }

  Object newObj = allocateNewObject(obj.getSize());
  copyObject(obj, newObj); // 复制对象到新位置

  // 放置转发指针
  setForwardingPointer(obj, newObj);
}

// Brooks 屏障 (Write Barrier) - Shenandoah
void writeBarrier(Object obj, Field field, Object value) {
  if (isRelocated(value)) {
    // 更新引用
    value = getForwardingAddress(value);
    field.set(obj, value);
  } else {
    field.set(obj, value);
  }
}

5. ZGC 与 Shenandoah 的对比

特性	ZGC	Shenandoah
指针处理方式	着色指针 (Colored Pointers)	转发指针 (Forwarding Pointers)
屏障类型	读屏障 (Load Barriers)	Brooks 屏障 (Brooks Barriers)
并发重映射	支持并发重映射，可以在并发重分配完成后消除读屏障的开销。	不支持并发重映射，需要通过 Brooks 屏障来更新引用。
内存占用	着色指针会占用指针的一部分位，因此会略微增加内存占用。	转发指针需要在旧对象的位置存储转发地址，也会增加内存占用。
实现复杂度	相对简单，易于理解和实现。	相对复杂，需要处理更多的并发问题。
适用场景	对延迟非常敏感，且对内存占用不敏感的场景。	对延迟比较敏感，且对内存占用比较敏感的场景。
总结	通过着色指针和读屏障，ZGC 实现了极低的延迟，但可能会略微增加内存占用。	通过转发指针和 Brooks 屏障，Shenandoah 实现了较低的延迟，但在并发处理方面更加复杂。

6. 性能调优

要充分发挥 ZGC 和 Shenandoah 的性能，需要进行适当的调优。以下是一些常见的调优技巧：

选择合适的堆大小： 堆大小应该根据应用程序的需求进行调整。过小的堆会导致频繁的垃圾收集，而过大的堆则会增加垃圾收集的开销。
调整并发线程数： 可以通过 -XX:ConcGCThreads 参数来调整并发垃圾收集线程数。线程数应该根据 CPU 的核心数进行调整。
监控垃圾收集日志： 通过分析垃圾收集日志，可以了解垃圾收集器的运行状态，并找出性能瓶颈。
选择合适的垃圾收集器： ZGC 和 Shenandoah 都有其适用的场景。在选择垃圾收集器时，应该根据应用程序的需求进行选择。
理解应用特点： 不同的应用有着不同的内存分配和回收模式，针对应用特点进行参数调整能获得更好的效果。

7. 代码示例 (实际应用)

这里提供一个简单的示例，展示如何启用 ZGC 或 Shenandoah：

// 启用 ZGC
java -XX:+UseZGC MyClass

// 启用 Shenandoah
java -XX:+UseShenandoahGC MyClass

这些参数需要在启动 JVM 时指定。

8. 结论

ZGC 和 Shenandoah 都是非常优秀的垃圾收集器，它们通过并发标记和重分配等技术，实现了极低的延迟。然而，它们也都有其自身的优缺点，在选择垃圾收集器时，需要根据应用程序的需求进行权衡。通过深入理解 ZGC 和 Shenandoah 的工作原理，并进行适当的调优，可以充分发挥它们的性能，为应用程序提供更好的服务。

ZGC 和 Shenandoah 都是基于 Region 的垃圾收集器，旨在降低垃圾收集的停顿时间。
它们都使用并发标记和重分配技术，尽量在不暂停应用程序的情况下完成垃圾收集工作。
ZGC 使用着色指针和读屏障，Shenandoah 使用转发指针和 Brooks 屏障，来实现并发更新。