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ZGC,一个超乎想象的垃圾收集器原创

2年前
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Z Garbage Collector,即ZGC,是一个可伸缩的、低延迟的垃圾收集器,主要为了满足如下目标进行设计:

  • 停顿时间不会超过10ms

  • 停顿时间不会随着堆的增大而增大(不管多大的堆都能保持在10ms以下)

  • 可支持几百M,甚至几T的堆大小(最大支持4T)

停顿时间在10ms以下,10ms其实是一个很保守的数据,在SPECjbb 2015基准测试,128G的大堆下最大停顿时间才1.68ms,远低于10ms,和G1算法相比,也感觉像是在虐菜。

image.png

G1算法通过只回收部分Region,避免了全堆扫描,改善了大堆下的停顿时间,但在普通大小的堆里却表现平平,ZGC为什么可以这么优秀,主要是因为以下几个特性。

Concurrent

ZGC只有短暂的STW,大部分的过程都是和应用线程并发执行,比如最耗时的并发标记和并发移动过程。

Region-based

ZGC中没有新生代和老年代的概念,只有一块一块的内存区域page,以page单位进行对象的分配和回收。

Compacting

每次进行GC时,都会对page进行压缩操作,所以完全避免了CMS算法中的碎片化问题。

NUMA-aware

现在多CPU插槽的服务器都是Numa架构,比如两颗CPU插槽(24核),64G内存的服务器,那其中一颗CPU上的12个核,访问从属于它的32G本地内存,要比访问另外32G远端内存要快得多。

ZGC默认支持NUMA架构,在创建对象时,根据当前线程在哪个CPU执行,优先在靠近这个CPU的内存进行分配,这样可以显著的提高性能,在SPEC JBB 2005 基准测试里获得40%的提升。

Using colored pointers

和以往的标记算法比较不同,CMS和G1会在对象的对象头进行标记,而ZGC是标记对象的指针。

image.png

其中低42位对象的地址,42-45位用来做指标标记。

Using load barriers

因为在标记和移动过程中,GC线程和应用线程是并发执行的,所以存在这种情况:对象A内部的引用所指的对象B在标记或者移动状态,为了保证应用线程拿到的B对象是对的,那么在读取B的指针时会经过一个 “load barriers” 读屏障,这个屏障可以保证在执行GC时,数据读取的正确性。

一些变化

JDK11

  • ZGC的最初版本

  • 不支持类卸载class unloading (使用 -XX:+ClassUnloading 没有效果)

JDK12

  • 进一步减少停顿时间

  • 支持类卸载功能

平台支持

ZGC目前只在Linux/x64上可用,如果有足够的需求,将来可能会增加对其他平台的支持。

对的,目前只支持64位的linux系统,狼哥在mac跑了半天都是下面的错!

image.png

如何编译

$ hg clone https://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk

$ cd jdk

$ sh configure

$ make images

如果正在编译的版本是 11.0.0, 11.0.1 or 11.0.2,必须加上配置参数 --with-jvm-features=zgc开启ZGC的编译,在11.0.3或者12之后,可以忽略这个参数,已经默认支持。

编译结束之后,你会得到一个完整的JDK。在Linux中,可以在下面目录中找到

./build/linux-x86_64-normal-server-release/images/jdk

可以进入bin文件夹,执行 ./java-version 验证一下。

如何使用

编译完成之后,已经迫不及待的想试试ZGC,需要配置以下JVM参数。

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions-XX:+UseZGC -Xmx10g -Xlog:gc

参数说明:

Heap Size

通过 -Xmx10g进行设置。
-Xmx是ZGC收集器中最重要的调优选项,大大解决了程序员在JVM参数调优上的困扰。ZGC是一个并发收集器,必须要设置一个最大堆的大小,应用需要多大的堆,主要有下面几个考量:

  • 对象的分配速率,要保证在GC的时候,堆中有足够的内存分配新对象

  • 一般来说,给ZGC的内存越多越好,但是也不能浪费内存,所以要找到一个平衡。

Concurrent GC Threads

通过 -XX:ConcGCThread=4进行设置。
并发执行的GC线程数,如果没有设置,在JVM启动的时候会根据CPU的核数计算出一个合理的数量,默认是核数的12.5%,但是根据应用的特性,可以通过手动设置调整。

因为在并发标记和并发移动时,GC线程和应用线程是并发执行的,所以存在抢占CPU的情况,对于一些对延迟比较敏感的应用,这个并发线程数就不能设置的过大,不然会降低应用的吞吐量,并有可能增加应用的延迟,因为GC线程占用了太多的CPU,但是如果设置的太小,就有可能对象的分配速率比垃圾收集的速率来的大,最终导致应用线程停下来等GC线程完成垃圾收集,并释放内存。

一般来说,如果低延迟对应用程序很重要,那么不要这个值不要设置的过于大,理想情况下,系统的CPU利用率不应该超过70%。

Parallel GC Threads

通过 -XX:ParallelGCThreads=20当对GC Roots进行标记和移动时,需要进行STW,这个过程会使用ParallelGCThreads个GC线程进行并行执行。

ParallelGCThreads默认为CPU核数的60%,为什么可以这么大?
因为这个时候,应用线程已经完全停下来了,所以要用尽可能多的线程完成这部分任务,这样才能让STW尽可能的短暂。

总结

ZGC在实现上和以往的GC有很大的区别,后续会对ZGC的细节实现进行分析,对ZGC感兴趣的同学赶紧跟上,一起撸ZGC的源码。

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占小狼
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