2.2 ZGC内存管理

ZGC为了能高效、灵活地管理内存，实现了两级内存管理：虚拟内存和物理内存，并且实现了物理内存和虚拟内存的映射关系。这和操作系统中虚拟地址和物理地址设计思路基本一致。ZGC主要的改进点就是重新定义了虚拟内存和物理内存的映射关系。

在介绍内存管理之前，我们先从一个问题出发。我们知道ZGC目前仅支持64位Linux，最多管理4TB的内存。不知道你有没有注意到这个地方似乎有点问题，64位系统支持的内存远超过4TB，那么为什么我们一直强调它只能支持4TB的内存，为什么不使用更多的虚拟内存？

要回答这个问题，首先要了解ZGC的内存管理机制。ZGC对整个内存空间进行划分，这是来自于源码中关于地址空间的一个说明，如图2-1所示。

图2-1 ZGC地址空间设计

在图2-1中，特别提到了3个视图，分别是Marked0、Marked1和Remapped，而且有趣的是这3个视图会映射到操作系统的同一物理地址。这就是ZGC中Color Pointers的概念，通过Color Pointers来区别不同的虚拟视图。

在ZGC中常见的几个虚拟空间有[0～4TB)、[4TB～8TB)、[8TB～12TB)和[16TB～20TB)。其中[0～4TB)对应的是Java的堆空间；[4TB～8TB)、[8TB～12TB)和[16TB ～20TB)分别对应Marked0、Marked1和Remapped这3个视图。这几个区域有什么关系？我们先看图2-2：

图2-2 ZGC中虚拟地址和物理地址映射关系

图2-2是ZGC在运行时虚拟地址和物理地址的转化。从图中我们可以得到：

❑4TB是理论上最大的堆空间，其大小受限于JVM参数。

❑0～4TB的虚拟地址是ZGC提供给应用程序使用的虚拟空间，它并不会映射到真正的物理地址。

❑操作系统管理的虚拟内存为Marked0、Marked1和Remapped这3个空间，且它们对应同一物理空间。

❑在ZGC中这3个空间在同一时间点有且仅有一个空间有效。为什么这么设计？这就是ZGC的高明之处，利用虚拟空间换时间；这3个空间的切换是由垃圾回收的不同阶段触发的，详见4.2.2节。

❑应用程序可见并使用的虚拟地址为0～4TB，经ZGC转化，真正使用的虚拟地址为[4TB～8TB)、[8TB～12TB)和[16TB～20TB)，操作系统管理的虚拟地址也是[4TB～8TB)、[8TB～12TB)和[16TB～20TB)。应用程序可见的虚拟地址[0～4TB)和物理内存直接的关联由ZGC来管理。

这里涉及的一个最关键的知识点就是多视图的映射，这是ZGC高效回收垃圾的基础，垃圾回收的相关内容将在第4章和第5章介绍。这里我们介绍一下ZGC是如何实现多视图映射的。

ZGC支持64位系统，我们看一下ZGC是如何使用64位地址的。ZGC中低42位（第0～41位）用于描述真正的虚拟地址（这就是图2-2中提到的应用程序可以使用的堆空间），接着的4位（第42～45位）用于描述元数据，其实就是大家所说的Color Pointers，还有1位（第46位）目前暂时没有使用，最高17位（第47～63位）固定为0，具体如图2-3所示。

图2-3 ZGC地址

由于42位地址最大的寻址空间就是4TB，这就是ZGC一直宣称自己最大支持4TB内存的原因。这里还有视图的概念，Marked0、Marked1和Remapped就是3个视图，分别将第42、43、44位设置为1，就表示采用对应的视图。在ZGC中，这4位标记位的目的并不是用于地址寻址的，而是为了区分Marked0、Marked1和Remapped这3个视图。当然对于操作系统来说，这4位标记位代表了不同的虚拟地址空间，操作系统在寻址的时候会把标记位和虚拟地址结合使用。在介绍ZGC的多视图映射之前，我们先回顾一下如何实现多视图映射。