深入理解G1

        G1是JVM历史上具有里程碑意义的收集器，开创了垃圾收集可控暂停时间的停顿时间模型。从G1开始，垃圾收集器不再追求一次将整个堆清理干净，而是追求可控的STW时间，以及在STW时间内尽可能高的内存回收速率。早期阐述Java的GC机制时，经常使用妈妈打扫房间的例子，这个例子说的是你在房间里吃瓜子，然后瓜子皮丢在地上，妈妈在打扫房间的过程中，必须在某个时刻限制你暂停吃瓜子（STW）一段时间，否则房间永远没有打扫完的时候。我当时看到这个例子时想到了两点：1、即使我被暂停吃瓜子一段时间用来打扫干净房间，可是之后我还是会继续吃瓜子并将瓜子皮丢在地上，那么这片刻的房间打扫干净是否有意义；2、妈妈不确定我会把瓜子皮丢在哪儿，那是不是意味着，房间越大，限制我暂停吃瓜子的时间就越长。

        随着64位JVM的出现，以及对更大的堆内存需求增长，传统的垃圾收集器的弱点越来越明显，尤其是随着大数据基础设施的发展，大堆是刚需，即使是最成熟的ParNew+CMS，面对大数据这种对象生存周期长，突然产生大量对象的场景也是hold不住，G1的产生为可控的STW、大堆提供了可能。

 

一、G1的特点

        停顿时间模型是G1最大的特点，停顿时间模型的意思是在GC过程中支持指定STW时间大概率不超过M毫秒。为达到此目标，G1采用了面向局部收集的设计思路和基于Region的内存布局。基于Region的堆内存布局是达成这个目标的关键，GC时将Region作为回收的最小单元，G1收集器跟踪每个Region的内存使用情况，根据历史统计值估算回收此Region能够获得的内存空间大小和暂停时间大小，然后在后台维护Region回收的优先级列表，GC时根据用户设定的暂停时间，按照优先级列表中的顺序，优先回收价值最大的Region。当然，在生产环境中，最大停顿时间的设置不能过于理想化，我们可以认为每次垃圾回收释放的内存和最大停顿时间正相关。很小的停顿时间会导致每次垃圾回收释放的堆内存很小，垃圾收集的速度跟不上分配器分配的速度，导致垃圾堆积，最终占满整个堆触发Full GC反而降低性能。

 

二、内存布局

        G1的内存布局是将堆分为多个大小相等，彼此独立的Region，Region的大小根据启动参数取值范围为1MB~32MB，且应为2^N，每个Region都可以作为新生代Eden区，Survivor区，或者老年代空间，Region中海油一类专门放置大对象的Humongous Region。G1的内存布局如图：

 

三、G1的其他关键概念

        Remembered Set：由于G1的面向局部收集策略，所以在回收垃圾时出现的跨Region引用对象问题，为解决此问题引入Remembered Set记录别的Region指向自己的指针。由于G1的Region数量比传统收集器的分代数量多很多，所以G1收集器要比其他传统垃圾收集器有更高的内存占用负担。

        Card Table：G1引入的数据结构，是Remembered Set的一种实现，用于记录非收集区域是否存在指向收集区域的指针，类似Hash表。

        Collect Set：在垃圾收集阶段，由G1垃圾回收器选择的待回收的Region集合。

        写屏障：指的是改变内存值的时候额外执行一些操作。Java使用的分代垃圾回收基本都会用到写屏障，主要处理跨代引用的问题，比如将新生代对象的引用写入老年代对象进行写操作时，如果此时垃圾回收线程也在工作，那么需要仔细处理老年代对象对新生代对象的引用，避免出现引用没有被正确及时的探测到，进而存活对象被过早回收的问题。

 

四、G1进行GC的流程

        G1工作是有两种模式，分别是Young Gc模式和Mixed GC模式，两种都是要STW的。Young GC模式和PareNew的非常像，就不详细介绍了，主要区别就是Eden区和Survivor区不再是一整块内存，而是由多个Region逻辑组成。Mixed GC回收时，不区分是新生代还是老年代，而是按照能从Region中回收的垃圾最多，回收收益大排序，组成回收集，对回收集中的Region进行回收，正常情况下新生代的Eden区都在回收范围内。如果设置的暂停时间过短，可能会导致Mixed GC回收时来不及回收Old区。Mixed GC的工作流程如下：

 

        整个过程分为两个大的阶段：标记阶段和拷贝存活对象阶段。标记阶段的主要目标是扫描堆内存使用情况，估算每个Region的垃圾回收收益。拷贝存活对象阶段决定回收哪些Region，将Region里的存活对象复制到空Region中，再清理掉整个旧Region的全部内存空间。具体过程分为以下四个步骤：

• 初始标记（Initial Marking）：G1的这个阶段与Minor GC同步完成的，此阶段标记通过GC Roots能直接关联到的对象（这个阶段需要STW），之后将复制到新Region的Survivor区的对象扫描并标记为根；
• 并发标记（Concurrent Marking）：对全堆的对象图进行可达性分析，找出待回收对象。这个阶段运行时间比较长，但是可以与应用程序并发进行，对象图扫描完之后，还需要处理并发标记过程中有引用变动的对象；
• 重新标记（Final Marking）：仍然需要一个STW阶段，用于处理并发标记阶段结束后仍然有引用变动的对象；
• 筛选回收（Cleanup）：根据标记的可达对象，更新Region的统计数据，对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户设置的JVM暂停时间制定回收计划，决定回收那一部分Region的存活对象复制到空的Region中，再清理掉整个旧的Region的全部空间。此过程设计到了存活对象的复制，需要STW。

 

五、G1的缺点

        和CMS算法相比，G1优点很多，最主要的是从整体上是基于”标记-清除“算法实现的垃圾收集器，但从局部上，又是基于”标记-复制“算法实现，这标志着G1在运行期间不会产生内存碎片，有利于程序长时间运行。

        G1相比CMS的弱点也有不少，主要表现就是G1的Remembered Set对内存有更高的需求，某些极端情况下会达到堆空间的20%甚至更多，GC进行时垃圾回收器的执行负载较高，导致应用的吞吐量不如CMS高。目前，在小内存的堆上，CMS的表现大概率上仍然优于G1；在大内存的堆上，G1则更能发挥优势，所以在小于6G~8G的堆上使用CMS可能有更好的性能，而在更大的堆上应该优先选择G1。

 

参考资料

1、深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践（第3版）

2、垃圾回收算法手册

 

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