深入理解JAVA虚拟机读书笔记：G1收集器入门

前言

在官网中，是这样描述G1的：

The Garbage-First (G1) collector is a server-style garbage collector,
targeted for multi-processor machines with large memories. It meets
garbage collection (GC) pause time goals with a high probability,
while achieving high throughput. The G1 garbage collector is fully
supported in Oracle JDK 7 update 4 and later releases. The G1
collector is designed for applications that: Can operate concurrently
with applications threads like the CMS collector. Compact free space
without lengthy GC induced pause times. Need more predictable GC
pause durations. Do not want to sacrifice a lot of throughput
performance. Do not require a much larger Java heap.

从官网的描述中，我们知道G1是一种服务器端的垃圾收集器，应用在多处理器和大内量内存环境中，在实现高吞吐量的同时，尽可能的满足垃圾收集暂停时间的要求。它是专门针对以下应用场景设计的：

• 像CMS收集器一样，能与应用程序线程并发执行。
• 整理空闲空间更快。
• 需要GC停顿时间更好预测。
• 不希望牺牲大量的吞吐性能。

G1收集器的设计目标是取到CMS收集器，它同CMS相比，在一下方面表现的更出色：

• G1是一个有整理内存过程的垃圾收集器，不会产生很多内存碎片。
• G1的Stop The World（STW更可控），G1在停顿时间上添加了预测机制，用户可以执行期望停顿时间。

有了以上的特性，难怪有人说它是一款驾驭一切的垃圾收集器。

G1中的几个重要概念

在G1的实现过程中，引入了一些新的概念，对于实现高吞吐、没有内存碎片、收集时间可控等功能起到了关键作用。

Region

传统的GC收集器将连续的内存空间划分为新生代、老年代和永久代（JDK 8去除了永久代，引入了元空间MateSpace），这种划分的特点是各代的存储地址（逻辑地址）是连续的。如下图所示：

而G1的各代存储地址是不连续的，每一代都使用了n个不连续的大小相同的Region，每个Region占有一块连续的虚拟内存地址。如下图所示：

在上图中，我们注意到了还有一些Region标明了H，它代表Humougous，这表示这些Region存储的是巨型对象（H-obj），即大小大于等于region一半的对象。H-obj有如下几个特征：

• H-obj直接分配到了old gen，防止反复拷贝移动。
• H-obj在global concurrent marking阶段的cleanup 和full GC阶段回收。
• 在分配H-obj之前先检查是否超过initiating heap occupancy percent和the marking threshold，如果超过的话，就启动global concurrent making，为的是提早回收，防止evacuation failures 和 full GC。

为了减少连续H-objs分配对GC的影响，需要把大对象便为普通的对象，建议增大Region Size。

一个Region的大小可以通过参数-XX：G1HeapRegionSize设定，取值范围从1M到32M，且是2的指数。
如果不设定，那么G1会根据Heap大小自动决定。

SATB

全称是Snopashot-At-Beginning，由字面理解，是GC开始时活着的对象的一个快照。它是通过Root Tracting得到的，作用是维持并发GC的正确性。
那么它是怎么维持并发GC的正确性呢？根据三色标记算法，我们知道对象存在三种状态：

• 白：对象没有被标记到，标记阶段结束后，会被当做垃圾回收掉。
• 灰：对象被标记到了，但是它的field还没有被标记或没有被标记完。
• 黑：对象被标记了，且它的所有field也被标记完了。

由于并发阶段的存在，Mutator和Garbage Collector线程同时对对象进行修改，就会出现白对象漏标的情况，这种情况发生的前提是：

• 把一个白对象的引用存到黑对象的字段里,如果这个情况发生，因为标记为黑色的对象认为是扫描完成的，不会再对他进行扫描。只能通过灰色的对象
• 某个白对象失去了所有能从灰对象到达它的引用路径(直接或间接)
  

对于第一个条件，在并发标记阶段，如果该白对象是new出来的，并没有被灰对象持有，那么它会不会被漏标呢？Region中有两个top-at-mark-start（TAMS）指针，分别是prevTAMS和nextTAMS。在TAMS以上的对象是新分配的，这是一种隐式的标记。对于在GC时已经存在的白对象，如果它是活着的，它必然会被另一个对象引用，即条件二中的灰对象。如果灰对象到白对象的直接引用或者间接引用被替换了，或者删除了，白对象就会漏标，从而导致被回收掉，这是非常严重的错误，所以SATB破坏了第二个条件。也就是说，一个对象的引用被替换时，可以通过write barrier将旧引用记录下来。
SATB也是有副总用的，如果被替换的白对象就是要被收集的垃圾，这次的标记会让它躲过GC，这就是float garbage。因为SATB的做法精度比较低，所以造成的float garbage也会比较多。

RSet

全称是Remembered Set，是辅助GC过程的一种结构，典型的空间换时间工作，和Card Table有些类似。还有一种数据结构也是辅助GC的：Collection Set（CSet），它记录了GC要收集的Region集合，集合里的Region可以是任意年代的。在GC的时候，对于old->young和old->old的跨代对象引用，只要扫描对应的CSet中的RSet即可。
逻辑上说每个Region都有一个RSet，RSet记录了其他Region中的对象引用本Region中对象的关系，属于一种points-into结构（谁引用了我的对象）。而Card Table则是一种points-out（我引用了谁的对象）的结构，每个Card覆盖一定范围的Heap（一般为512Bytes）。G1的RSet是在Card Table的基础上实现的：每个Region会记录下别的Region有指向自己的指针，并标记这些指针分别在哪些Card范围内。这个RSet其实是一个HashTable，Key是别的Region的起始地址，Value是一个集合，里面的元素是Card Table的Index。
下图表示了RSet、Card和Region的关系：

上图中有三个Region，每个Region被分成了多个Card，在不同的Region中的Card会互相引用，Region1中的Card对象引用了Region2中的Card对象，蓝色实线表示的就是point-out的关系，而在Region2中的RSet中，记录了Region1的Card，即红色虚线表示的关系，这就是point-into。
而维系RSet的引用关系靠post-write barrier和Concurrent refinement threads来维护。
post-write barrier记录了跨Region的引用更新，更新日志缓冲区则记录了那些包含更新引用的Cards。一旦缓冲区满了，Post-write barrier就停止服务了，会由Concurrent refinement threads处理这些缓冲区日志。

Pause Prediction Model

Pause Prediction Model即停顿预测模型。
G1 GC是一个响应时间优先的GC算法，它与CMS最大的不同是，用户可以设定整个GC过程的期望停顿时间，参数-XX:MaxGCPauseMillis指定一个G1收集过程目标停顿时间，默认值200ms，不过它不是硬性条件，只是期望值。那么G1怎么满足用户的期望呢？这需要这个停顿预测模型了。G1根据这个模型统计计算出来的历史数据来预测本次收集需要选择的Region数量，从而尽量满足用户设定的目标停顿时间。

GC过程

G1 GC模式

G1提供了两种GC模式，Young GC和Mixed GC，两种都是完全Stop The World的。

• Young GC：选定所有年轻代理的Region。通过空间年轻代的个数，即年轻代内存大小，来控制young GC的时间开销。
• Mixed GC：选定所有年轻代里的Region，外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的若干老年代Region。在用户指定的开销目标范围内尽可能选择收益高的老年代Region。

由上面的描述克制，Mixed GC不是full GC，它只能回收部分老年代的Region，如果mixed GC实在无法跟上程序分配内存的速度，导致老年代填满无法继续进行Mixed GC，就会使用Serial old GC（full GC）来收集整个GC heap。所以我们可以知道，G1是不提供fullGC的。

上文中，多次提到了global concuurent marking，它的执行过程类似CMS，但是不同的是，在G1 GC中，它主要是为Mixed GC提供标记服务的，并不是一次GC过程的一个必须环节。global concurrent marking的执行过程分为四个步骤：

• 初始标记（Initial mark，STW）。它标记了从GC Root开始直接可达的对象。
• 并发标记（Concurrent Marking）。这个阶段从GC Root开始对Heap中的对象标记，标记线程与应用线程并发执行，并且手机各个Region的存活对象信息。
• 最终标记（Remark，STW）。标记那些在并发标记阶段发生变化的对象，将被回收。
• 清除垃圾（Clean up）。清除空Region（没有存活对象的），加入到free list。
  第一阶段initial mark公用了Young GC的暂停，这是因为他们可以复用root scan操作，所以可以说global concurrent marking是伴随Young GC而发生的。第四阶段Clean up只是回收了没有存活对象的Region，所以它并不需要STW。

Young GC发生的时机大家都知道，那什么时候发生Mixed GC呢？其实是由一些参数控制着的，另外也控制着哪些老年代Region会被选入CSet。

• G1HeapWastePercent：在global concurrent marking结束之后，我们可以知道old gen regions中有多少空间要被回收，在每次YGC之后和再次发生Mixed GC之前，会检查垃圾占比是否达到此参数，只有达到了，下次才会发生Mixed GC。
• G1MixedGCLiveThresholdPercent：old generation region中的存活对象的占比，只有在此参数之下，才会被选入CSet。
• G1MixedGCCountTarget：一次global concurrent marking之后，最多执行Mixed GC的次数。
• G1OldCSetRegionThresholdPercent：一次Mixed GC中能被选入CSet的最多old generation region数量。
  原文：https://tech.meituan.com/g1.html