深入理解G1垃圾收集器

G1 GC是jdk7的新特性之一、jdk7+版本都可以自主配置G1作为JVM GC选项；作为JVM GC算法的一次重大升级、jdk7u后G1已相对稳定、且未来计划替代CMS、所以有必要深入了解下：

不同于其他的分代回收算法、G1将堆空间划分成了互相独立的区块。每块区域既有可能属于O区、也有可能是Y区，且每类区域空间可以是不连续的（对比CMS的O区和Y区都必须是连续的）。这种将O区划分成多块的理念源于：当并发后台线程寻找可回收的对象时、有些区块包含可回收的对象要比其他区块多很多。虽然在清理这些区块时G1仍然需要暂停应用线程、但可以用相对较少的时间优先回收包含垃圾最多区块。这也是为什么G1命名为Garbage First的原因：第一时间处理垃圾最多的区块。

平时工作中大多数系统都使用CMS、即使静默升级到JDK7默认仍然采用CMS、那么G1相对于CMS的区别在：

1. G1在压缩空间方面有优势

就目前而言、CMS还是默认首选的GC策略、可能在以下场景下G1更适合：

1. 服务端多核CPU、JVM内存占用较大的应用（至少大于4G）

一次完整G1GC的详细过程：

G1在运行过程中主要包含如下4种操作方式：

1. YGC（不同于CMS）

YGC：

下面是一次YGC前后内存区域是示意图：

图中每个小区块都代表G1的一个区域（Region），区块里面的字母代表不同的分代内存空间类型（如[E]Eden,[O]Old,[S]Survivor）空白的区块不属于任何一个分区；G1可以在需要的时候任意指定这个区域属于Eden或是O区之类的。G1 YoungGC在Eden充满时触发，在回收之后所有之前属于Eden的区块全变成空白。然后至少有一个区块是属于S区的（如图半满的那个区域），同时可能有一些数据移到了O区。

目前淘系的应用大都使用PrintGCDetails参数打出GC日志、这个参数对G1同样有效、但日志内容颇为不同；下面是一个Young GC的例子：

23.430: [GC pause (young), 0.23094400 secs]...[Eden: 1286M(1286M)->0B(1212M)Survivors: 78M->152M Heap: 1454M(4096M)->242M(4096M)][Times: user=0.85 sys=0.05, real=0.23 secs]

上面日志的内容解析：Young GC实际占用230毫秒、其中GC线程占用850毫秒的CPU时间很多情况下，S区的对象会有部分晋升到Old区，另外如果S区已满、Eden存活的对象会直接晋升到Old区，这种情况下Old的空间就会涨

并发阶段：

一个并发G1回收周期前后内存占用情况如下图所示：

从上面的图表可以看出以下几点：3、在并发阶段完成之后实际上O区的容量变得更大了（O+X的方块）。这时因为这个过程中发生了YGC有新的对象进入所致。此外，这个阶段在O区没有回收任何对象：它的作用主要是标记出垃圾最多的区块出来。对象实际上是在后面的阶段真正开始被回收

G1并发标记周期可以分成几个阶段、其中有些需要暂停应用线程。第一个阶段是初始标记阶段。这个阶段会暂停所有应用线程-部分原因是这个过程会执行一次YGC、下面是一个日志示例：

50.541: [GC pause (young) (initial-mark), 0.27767100 secs][Eden: 1220M(1220M)->0B(1220M)Survivors: 144M->144M Heap: 3242M(4096M)->2093M(4096M)][Times: user=1.02 sys=0.04, real=0.28 secs]

上面的日志表明发生了YGC、应用线程为此暂停了280毫秒，Eden区被清空（71MB从Young区移到了O区）。G1正好在YGC的过程中把这个事情也一起干了。为此带来的额外开销不是很大、增加了20%的CPU，暂停时间相应的略微变长了些。

接下来，G1开始扫描根区域、日志示例：

50.819: [GC concurrent-root-region-scan-start]51.408: [GC concurrent-root-region-scan-end, 0.5890230]

一共花了580毫秒，这个过程没有暂停应用线程；是后台线程并行处理的。这个阶段不能被YGC所打断、因此后台线程有足够的CPU时间很关键。如果Young区空间恰好在Root扫描的时候满了、YGC必须等待root扫描之后才能进行。带来的影响是YGC暂停时间会相应的增加。这时的GC日志是这样的：

350.994: [GC pause (young)351.093: [GC concurrent-root-region-scan-end, 0.6100090]351.093: [GC concurrent-mark-start],0.37559600 secs]

111.382: [GC concurrent-mark-start]....120.905: [GC concurrent-mark-end, 9.5225160 sec]

并发标记阶段是可以被打断的，比如这个过程中发生了YGC就会。这个阶段之后会有一个二次标记阶段和清理阶段：

120.910: [GC remark 120.959:[GC ref-PRC, 0.0000890 secs], 0.0718990 secs][Times: user=0.23 sys=0.01, real=0.08 secs]120.985: [GC cleanup 3510M->3434M(4096M), 0.0111040 secs][Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.01 secs]

这两个阶段同样会暂停应用线程，但时间很短。接下来还有额外的一次并发清理阶段：

120.996: [GC concurrent-cleanup-start]120.996: [GC concurrent-cleanup-end, 0.0004520]

到此为止，正常的一个G1周期已完成–这个周期主要做的是发现哪些区域包含可回收的垃圾最多（标记为X），实际空间释放较少。

混合GC：

接下来G1执行一系列的混合GC。这个时期因为会同时进行YGC和清理上面已标记为X的区域，所以称之为混合阶段，下面是一个混合GC执行的前后示意图：

像普通的YGC那样、G1完全清空掉Eden同时调整survivor区。另外，两个标记也被回收了，他们有个共同的特点是包含最多可回收的对象，因此这两个区域绝对部分空间都被释放了。这两个区域任何存活的对象都被移到了其他区域（和YGC存活对象晋升到O区类似）。这就是为什么G1的堆比CMS内存碎片要少很多的原因–移动这些对象的同时也就是在压缩对内存。下面是一个混合GC的日志：

79.826: [GC pause (mixed), 0.26161600 secs]....[Eden: 1222M(1222M)->0B(1220M)Survivors: 142M->144M Heap: 3200M(4096M)->1964M(4096M)][Times: user=1.01 sys=0.00, real=0.26 secs]

上面的日志可以注意到Eden释放了1222MB、但整个堆的空间释放内存要大于这个数目。数量相差看起来比较少、只有16MB，但是要考虑同时有survivor区的对象晋升到O区；另外，每次混合GC只是清理一部分的O区内存，整个GC会一直持续到几乎所有的标记区域垃圾对象都被回收，这个阶段完了之后G1会重新回到正常的YGC阶段。周期性的，当O区内存占用达到一定数量之后G1又会开启一次新的并行GC阶段。

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