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新一代垃圾回收器ZGC設計與實現

為了解決10毫秒的問題，作者彭成寒 這樣論述：

Java11版本包含一個全新的垃圾收集器ZGC，它由Oracle開發，承諾在數TB的堆上具有非常低的暫停時間。ZGC是2017年Oracle公司貢獻給OpenJDK社區的，正式成為OpenJDK的開源項目。ZGC所針對的是這些在未來普遍存在的大容量記憶體：TB級別的堆容量，具有很低的停頓時間（小於10毫秒），對整體應用性能的影響也很小（對輸送量的影響低於15％）。ZGC所採用的機制也可以在未來進行擴展，以支持一些令人興奮的特性，如多層堆（用於熱物件的DRAM和用於低頻訪問對象的NVMe快閃記憶體）或壓縮堆。 本書詳細介紹ZGC涉及的基本概念和運行原理，以及調優方法。主要內容共9章，主要內容有

：垃圾回收器概述、ZGC記憶體管理、ZGC執行緒、ZGC垃圾回收演算法的設計、ZGC日志解讀、ZGC參數和基準測試、ZGC的編譯調試、ZGC特性總結和展望、ZGC的編譯調試、Shenandoah簡介等。 彭成寒，高級Java工程師，目前主要從事風控系統設計、演算法建模、大資料處理等工作，有超過10年的Java和C++開發經驗。 前言 第1章　垃圾回收器概述 1 1.1 垃圾回收演算法 2 1.2 JVM垃圾回收器 2 1.2.1 串列回收 3 1.2.2 並行回收 4 1.2.3 CMS 4 1.2.4 G1 5 1.2.5 ZGC 15 1.2.6 S

henandoah 19 第2章　ZGC記憶體管理 21 2.1 作業系統位址管理 21 2.2 ZGC記憶體管理 22 2.2.1 多視圖映射 25 2.2.2 ZGC多視圖映射 27 2.2.3 頁面設計 30 2.2.4 對NUMA的支持 31 2.2.5 ZGC中的實體記憶體管理 32 2.2.6 ZGC中的虛擬記憶體管理 34 2.2.7 ZGC記憶體預分配 35 2.3 ZGC物件分配管理 36 2.3.1 對象空間分配 39 2.3.2 頁面分配 42 第3章　ZGC執行緒 48 3.1 執行緒的基本概念 48 3.2 控制執行緒 49 3.2.1 時鐘觸發器 51 3.2.

2 消息觸發 53 3.2.3 VMThread 56 3.3 工作執行緒 59 3.4 垃圾回收觸發的時機 62 第4章　ZGC垃圾回收演算法的設計 67 4.1 併發垃圾回收演算法 67 4.1.1 併發垃圾回收演算法概述 67 4.1.2 ZGC併發演算法的設計 68 4.2 併發處理 70 4.2.1 併發處理概述 71 4.2.2 ZGC併發處理演算法 73 4.2.3 ZGC併發處理演算法演示 75 第5章　ZGC垃圾回收演算法的實現 78 5.1 垃圾回收的實現 78 5.1.1 初始標記 78 5.1.2 併發標記 88 5.1.3 再標記和非強根並行標記 94 5.1.4

非強引用併發標記和引用併發處理 98 5.1.5 重置轉移集 105 5.1.6 回收無效的頁面 106 5.1.7 選擇待回收的頁面 106 5.1.8 初始化待轉移集合的轉移表 108 5.1.9 初始轉移 108 5.1.10 併發轉移 110 5.1.11 垃圾回收演算法再討論 111 5.2 垃圾回收演算法演示 112 第6章　ZGC日誌解讀 120 6.1 Xlog簡介 120 6.2 測試用例設計 123 6.3 ZGC初始化信息 125 6.4 垃圾回收觸發信息 127 6.5 垃圾回收過程中每一步的資訊 130 6.6 統計資訊 137 6.6.1 垃圾回收器信息 137

6.6.2 競爭資訊 137 6.6.3 同步等待資訊 139 6.6.4 記憶體資訊 140 6.6.5 垃圾回收步驟資訊 142 6.6.6 子階段資訊 144 6.6.7 執行緒信息 146 第7章　ZGC參數和基準測試 147 7.1 參數簡介 147 7.1.1 ZGC新引入參數 147 7.1.2 GC通用參數 149 7.2 測試評估 150 7.2.1 測試準備 151 7.2.2 測試與測試報告 154 第8章　ZGC的發展與展望 160 8.1 類回收 161 8.2 單代回收 164 8.3 新功能和多平臺 165 第9章　JVM編譯調試 166 9.1 下載原始

程式碼 166 9.2 代碼概覽 167 9.3 編譯JVM 168 9.4 調試ZGC 169 9.4.1 啟動GDB 170 9.4.2 對象分配 170 9.4.3 觸發垃圾回收 172 9.4.4 初始標記 172 9.4.5 併發標記 173 9.4.6 初始轉移 174 9.4.7 併發轉移 176 9.4.8 重定位 176 9.5 使用HSDB學習JVM中物件佈局 178 9.5.1 C++對象佈局原理 178 9.5.2 Java對象佈局原理 180 9.5.3 用HSDB分析Java物件佈局 180 第10章　Shenandoah簡介 192 10.1 概述 192 10

.2 Shenandoah垃圾回收策略 193 10.3 Shenandoah垃圾回收演算法 194 10.3.1 正常回收演算法 195 10.3.2 遍歷回收演算法 197 附錄A　Cassandra簡介 200 附錄B　YCSB簡介 202 JDK 11於2018年9月25日正式發佈，這個版本引入了許多新的特性，其中最為引人注目的就是實現了一款新的垃圾回收器ZGC。Java開發人員日常工作中最關注、接觸最多的就是JVM中的垃圾回收器，所以該垃圾回收器一經發佈，立即吸引了大量開發人員的目光。   在JDK 11中，ZGC被明確標記為實驗性質（意味著還不成熟），這樣一款

尚不成熟的垃圾回收器為什麼能合入Open JDK的官方項目中？它對以前的垃圾回收器的 改進體現在哪裡？它的創新點是什麼？它的不足有哪些？本書嘗試從ZGC的代碼出發，分析ZGC的設計和實現，希望能找到上述問題的答案。 ZGC是一款開源的垃圾回收器，本書從原理和代碼角度對ZGC進行剖析，與大家一起學習ZGC，並希望通過本書的介紹讓更多的人認識和使用它，也希望大家在學習的過程中都能理解、掌握、精通ZGC，並能在社區中貢獻自己的力量。 本書共分為10章： 第1章介紹JVM中實現的垃圾回收器，其中著重介紹了G1，最後介紹了ZGC對G1的改進以及當下ZGC尚需完善之處。 第2章首先介紹記憶體位址多視

圖映射，然後介紹ZGC中的實體記憶體和虛擬記憶體，以及它們的管理，最後介紹ZGC如何分配物件。 第3章主要介紹ZGC中涉及的四大控制執行緒：ZDirector負責垃圾回收的觸發，ZDriver負責垃圾回收的執行，ZStat負責收集統計資訊，VMThread負責控制進行STW操作。 第4章介紹ZGC如何利用位址多視圖映射設計併發演算法進行併發標記、併發轉移和併發重定位。 第5章介紹ZGC垃圾回收過程的10個步驟以及每一步所做的工作，同時給出了演算法示例圖演示整個垃圾回收的過程。 第6章分析一個完整的ZGC運行日誌，並針對每一行日誌進行解釋，為讀者瞭解ZGC的運行情況提供説明。 第7章首

先介紹ZGC中最常用的參數，包括ZGC新引入的參數、ZGC重用的通用GC參數，然後介紹分別使用G1和ZGC作為垃圾回收器運行Cassandra和YCSB，從停頓時間和吞吐率兩個方面比較ZGC和G1的運行效果。 第8章主要介紹ZGC目前存在的不足以及未來的發展方向。 第9章介紹兩種調試方法：根據原始程式碼編譯後使用GDB調試JVM，著重介紹ZGC垃圾回收過程的調試；根據HotSpot Debugger工具對運行的Java程式進行分析。 第10章對Shenandoah進行簡要介紹。Shenandoah在JDK 12中作為實驗項目加入OpenJDK，它和ZGC的定位非常類似，但實現方法並不相同

。該章簡單地介紹Shenandoah和G1、ZGC之間的區 別，Shenandoah垃圾回收觸發的策略以及Shenandoah實現的幾種垃圾回收演算法。 本書主要基於JDK 11原始程式碼進行分析，所用的版本是jdk11u1，讀者可以自行到OpenJDK的官網下載，也可以從筆者在GitHub（https://github.com/chenghanpeng/jdk11u）的備份中下載。 在本書中，為了能夠讓讀者更加清晰、直觀地瞭解一些基本概念，筆者設計了一些樣常式式，這些樣例代碼可以從倉庫 （https://github.com/chenghanpeng/jdk11u/tree/master

/example）中下載。另外，本書介紹了 ZGC在JDK 12 中的新功能——類回收，為了便於讀者學習研究，筆者也維護了一份JDK 12的原始程式碼（https://github.com/chenghanpeng/jdk12），供感興趣的讀者下載。 最後再強調一點，ZGC處於持續反覆運算開發中，變化也會很快。為了能夠深入探索ZGC，希望讀者在閱讀本書時要始終抱著質疑的態度，不斷地問自己：書中的介紹和解釋是否正確？ZGC的實現是否有改進的空間？如果有該如何改進？只有不斷地提出問題、解決問題，才能深入理解和運用ZGC。 由於筆者水準有限，時間倉促，書中難免存在錯漏之處，懇請讀者批評指正。你可

以通過https://github.com/chenghanpeng/jdk11u/issues提交問題。期待能夠得到讀者朋友們的真情回饋，在技術道路上互勉共進。 在創作本書的過程中，得到了很多朋友以及同事的幫助和支持，在此表示衷心的感謝！ 感謝策劃編輯吳怡的支持和鼓勵，她不僅給出了非常多的寫作意見和建議，還不厭其煩地、認真地和筆者溝通，力爭做到清晰、準確、無誤地將內容呈現給讀者。 感謝我的家人，特別是我的兒子，能夠體諒我犧牲了陪伴他的時間。有了他們的支援和幫助，我才有時間和精力去完成寫作。

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非地面網路之窄帶物聯網下行鏈路時間與頻率同步演算法與硬體實現

為了解決10毫秒的問題，作者翁寬 這樣論述：

隨著低地球軌道衛星技術的漸趨成熟，非地面網路在未來無線通訊系統的發展中扮演著重要的角色，以支援大量的無線裝置和服務更廣大的地區。提及到無線裝置的應用，窄帶物聯網的發展尤為顯著。然而，受到非地面網路的特性影響，無線通訊系統的傳送端與接收端之間存在著嚴重的時間延遲與都普勒偏移，因此符元時間與載波頻率偏移估計的技術顯得十分重要。受到傳統載波頻率偏移估計範圍的限制，當載波頻率偏移超過一個子載波間隔時，估計的準確性會大幅下降。本文將提出非地面網路之窄帶物聯網下行鏈路時間與頻率同步的演算法與硬體實現。首先，利用接收訊號的自相關偵測窄帶主要同步訊號和估計粗略符元時間。藉由角度計算取得小數頻率偏移的估計值。

接著，利用接收訊號與已知窄帶主要同步訊號的互相關，以及時間與整數頻率偏移的格子搜尋法，可以取得粗略符元時間之誤差的估計值和整數頻率偏移的估計值。最後，透過上述估計值的計算，完成符元時間和載波頻率偏移的估計。在硬體實現方面，採用 TSMC 40 奈米的製程。合成、佈局與繞線則是以 Synopsys Design Compiler 與 Cadence SOC Innovus 完成。角度的旋轉與絕對值是以座標旋轉數位計算完成。操作頻率為 1.92 MHz。基於演算法的模擬與硬體架構的設計，此硬體設計最大能夠估計 63 kHz 的載波頻率偏移，以及在週期為 10 毫秒的訊框中的符元時間，達成時間與頻率

的同步。

時間之冪：從極短暫到永恆，囊括各種時間尺度的祕密

為了解決10毫秒的問題，作者Gerard’tHooft 這樣論述：

以10的冪次方為尺度， 蒐羅各式各樣有關時間的紀錄， 解答各種關於時間的祕密！ 　　這是一本放在咖啡桌上的書， 　　讓你在閒暇之餘，可以隨手拿起來翻閱的趣味書籍。 　　不論從哪一頁開始閱讀，都沒關係， 　　你更可以直接從你最感到好奇的「時段」開始， 　　順著看、跳著看都可以。 　　我們希望你也能像我們一樣，在每個不同的時距裡， 　　發現並感受到周遭這個令人讚嘆與驚奇的世界。 　　每一個時距，都是獨一無二的， 　　也都展示了讓人著迷的奇特現象…… 　　我們這本書， 　　是由一系列各自獨立的短篇與插畫和照片所組成， 　　描繪著從一眨眼到一整個滿月， 　　歷時長短不同的各種趣味現象。 　

　—— 本書作者特胡夫特、范都仁 好評推薦 　　作者以令人耳目一新的方式，把天文學到生物學的奇聞軼事、音樂與運動領域的歷史掌故……統統編纂起來，並把重心放在作者最擅長的宇宙學和粒子物理學。不管是逐頁展讀、還是隨意瀏覽，都是非常愉悅的閱讀體驗。這本書完全傳達了費曼所讚嘆的「我們這個宇宙真是無比奇妙」。——《自然．物理學》期刊 　　略帶幽默的文風，豐富精采的插圖，如此迷人，一旦你拿起書來，很難不上癮。—— 歐洲數學學會

工作單元所用5G時間敏感網路之MAC層服務品質排程設計

為了解決10毫秒的問題，作者徐晟育 這樣論述：

在自動化製造工廠中，工作單元是工廠自動化環境中資源的邏輯和策略安排，為工廠內各單機整合智慧化，提升製造的效率。工作單元與工廠管理層間使用工業乙太網路對單機、物料搬運及感測器間的控制指令和感測數據做優先級排程傳輸。時間敏感網路(TSN)是由IEEE802.1任務組開發的工業乙太網路，根據延遲、抖動和資訊流來類別八種保證延遲和相對品質流量，顯著改善時間同步和延遲，提高生產率。本文研究工作單元與工廠管理層間透過TSN橋接器傳輸，對於未來智慧製造多樣化且頻繁重組生產線的工廠，為了降低佈線成本和人力、降低擴廠的限制，需要考慮TSN橋接器無線化。以未來智慧製造工作單元和工廠管理層間通訊為例，大量數據即時

傳輸是關鍵，而5G有效提升傳輸率、大頻寬和降低延遲，使用5G可降低佈署成本、提高佈設彈性和增加傳輸路徑靈活性等，因此未來工廠有望利用5G來實現更高的生產效率和靈活性。針對自動化製造工廠中延遲要求嚴格的工作單元，上傳數據量大於下載，且日益增加，因此本研究選擇上傳至工作管理層的其中三種代表性流量: 工作指令、警告訊息及感測數據。”工作指令”是工作單元週期性上傳的程序要求，”警告訊息”則是因工作單元無預期超出正常運作範圍時隨機產生，而”感測數據”是感測器週期性取樣機台狀況數據。各應用於TSN的流量特性和延遲要求都不一樣，”工作指令” 上傳的延遲須小於10毫秒，”警告訊息”上傳的優先順序則須高於一般性

”感測數據”。本研究專注於工作單元控制器和工廠管理層間，藉由QoS映射和5G MAC層排程來支持TSN橋接器的無線化，主要研究問題和相應的挑戰為:P1) Translator設計問題: 依照IEEE 802.1Q 的分類，工作單元內的工令、警告訊息和感測數據分別屬於TSN Priority Code Point (PCP) 5、2、1。但TSN優先等級定義與5G QoS定義不同，如何依5G規範TS 23.501 於MAC層所定義的QoS Class Indicator (QCI ) 來映射支持，並且將TSN封包經由5G MAC層傳輸?C1) TSN PCP和5G QCI之間目前尚未有確定的優先

等級轉換標準。兩者各自的類別數量不一樣外，對於QoS延遲定義也不同，PCP有相對優先級的概念，而QCI沒有。PCP延遲定義是從終端到終端，QCI是從User Equipment (UE)到User Plane Function (UPF)，兩種定義全然不同，無法直接一對一映射。並且兩者的封包格式不同，因此如何映射並轉換封包格式是挑戰。P2) 5G MAC排程問題: 在完成QoS映射之後，如何針對5G MAC層封包傳輸所需用到的邏輯通道資源間進行排程，來滿足工作單元各流量的延遲要求，且解決IEEE802.1Qbv GCL排程的不足?C2)目前尚未有針對TSN QoS的邏輯通道排程演算法，而所考慮

的三種工作單元流量特性和QoS要求都不一樣，另外，我們所考慮的流量有包含確定性週期的工令和感測數據，還有隨機產生的警告訊息，而TSN排程缺乏支持彈性的流量和5G傳輸，因此針對所映射的QCI進行5G邏輯通道排程是新的挑戰。P3) 模擬環境設計問題：如何設計5G支援TSN的MAC層架構，用來模擬工廠流量並實驗本研究提出的QoS映射和MAC排程，以評估是否能滿足從工作單元到工廠管理層的TSN QoS要求?C3) 如何模擬工作單元和工廠管理層間流量才能真實貼切工廠內實際狀況，以及在MAC層使用5G支援的TSN架構尚未有完善標準制定情形下，如何在既有概念規範上設計實驗QoS映射及MAC排程的模擬環境是一

大挑戰。針對以上問題與挑戰，本論文新提出並設計解決方案如下:M1) 針對工作單元所需保證延遲和相對品質提出映射原則。考慮TSN端到端延遲定義在所提出的架構中為對稱，且5G端到端QoS定義是TSN的一部份，本論文將PCP5(保證延遲