G1学习笔记.md

本文是学习G1过程中，记下的一些笔记，大部分内容是从参考文章里复制的。

介绍

GC演进

随着内存大小不断增长而演进：

几M - 几十M：Serial，单线程STW（Stop The World）垃圾回收。
上百M – 1G：parallel，并行多线程垃圾回收。
几G：cms，Concurrent Gc。
几十G：G1。
上百G – TB：ZGC。

问题

G1之前的回收器，STW阶段在Heap区越来越大的情况下需要的时间越长，并且CMS由于内存碎片，需要压缩的话也会造成较长停顿时间。所以需要一种高吞吐量的短暂停时间的收集器，而不管堆内存多大。

简介

G1全称是Garbage First，于JDK 6u14版本发布，JDK 7u4版本发行时被正式推出，旨在取代CMS垃圾回收器，在JDK9时已经成了默认的垃圾回收器。
G1是一个响应时间优先的GC算法，最大特点是暂停时间可配置，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？就需要停顿预测模型（Pause Prediction Model）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。

内部结构

堆被划分为N个（可配置，默认2048）大小的相等的区域(region)，每个区域占用一段连续的地址空间，以区域为单位进行垃圾回收，而且这个区域的大小是可配置的，如果不配置， G1会根据堆大小自动决定你区域大小。在分配时，如果选择的区域已经满了，会自动寻找下一个空闲的区域来执行分配。

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（堆大小/2048）。

G1中的区域，主要分为两种类型：

年轻代区域： G1不需要设置年轻代大小（默认5-60%），
- Eden区域 - 新分配的对象
- Survivor区域 - 年轻代GC后存活但不需要晋升的对象
老年代区域
- 晋升到老年代的对象
- 直接分配至老年代的巨型对象，占用多个区域的对象

Humongous Region：
G1有专门分配巨型对象的Region，而不是进入老年代Region。一个大小达到甚至超过分区大小一半（可配置）的对象称为巨型对象(Humongous Object)。当线程为巨型分配空间时，不能简单在TLAB进行分配，因为巨型对象的移动成本很高，而且有可能一个分区不能容纳巨型对象。因此，巨型对象会直接在老年代分配，所占用的连续空间称为巨型分区(Humongous Region)。G1内部做了一个优化，一旦发现没有引用指向巨型对象，则可直接在年轻代收集周期中被回收。
巨型对象会独占一个、或多个连续分区，其中第一个分区被标记为开始巨型(StartsHumongous)，相邻连续分区被标记为连续巨型(ContinuesHumongous)。由于无法享受Lab带来的优化，并且确定一片连续的内存空间需要扫描整堆，因此确定巨型对象开始位置的成本非常高，如果可以，应用程序应避免生成巨型对象。
巨型对象永远不会被移动，要么直接被回收，要么一直存在，定巨型对象开始位置的成本非常高，应用程序应避免生成巨型对象。

GC基础

可达性分析

怎么判断对象是否是垃圾？
JVM采用可达性分析算法，以“GC ROOT”为根节点，根据引用关系向下搜索。
以下图a和b对象不可达，将被标记为垃圾。

GC Root的对象：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中的参数、局部变量、临时变量。
本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）引用的对象。
方法区中类静态属性引用的对象，譬如Java类的引用类型静态变量。
方法区中常量引用的对象，比如字符串常量池里的引用。
Jvm内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象，系统类加载器等。

三色标记算法

遍历对象过程中，按“是否访问过”这个条件将对象标记成以下三种颜色：

白色：尚未访问过。
黑色：本对象已访问过，而且本对象引用到的其他对象也全部访问过了。
灰色：本对象已访问过，但是本对象引用到的其他对象尚未全部访问完。

浮动垃圾

假设已经遍历到 E（变为灰色了），此时应用执行了 objD.fieldE = null (D > E 的引用断开)。
此刻之后，对象 E/F/G 是“应该”被回收的。然而因为 E 已经变为灰色了，其仍会被当作存活对象继续遍历下去。最终的结果是：这部分对象仍会被标记为存活，即本轮 GC 不会回收这部分内存。
这部分本应该回收，但是没有回收到的内存，被称之为“浮动垃圾”。等到下一轮垃圾回收中才被清除。

漏标

假设 GC 线程已经遍历到 E（变为灰色了），此时应用线程先执行了：

var G = objE.fieldG; 
objE.fieldG = null; // 灰色E 断开引用 白色G 
objD.fieldG = G; // 黑色D 引用 白色G

漏标造成的结果是：G 会一直停留在白色集合中，最后被当作垃圾进行清除。这直接影响到了应用程序的正确性，是不可接受的。

G1的解决方案是写屏障+SATB。

写屏障

写屏障：给某个对象的成员变量赋值时，在赋值操作前后，加入一些处理（类似AOP的概念）

void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
    pre_write_barrier(field); // 写屏障-写前操作 
    *field = new_value; 
    post_write_barrier(field, value); // 写屏障-写后操作 
}

SATB

SATB (Snapshot At The Beginning，初始快照)，是一种将并发标记阶段开始时对象间的引用关系，以逻辑快照的形式进行保存的手段。简单理解就是，在并发标记时，以当前的引用关系作为基础引用数据，不考虑Mutator并发运行时对引用关系的修改（Snapshot命名的由来），标记时是存活状态就认为是存活状态。gc时会扫描SATB数据。

Rset

上图Region B和C是老年代，Region A是新生代。Region A对于GC Root来说是不可达的：

young gc时，需要扫描全部老年代对象？
mix gc（回收部分对象）时，需要扫描全部老年代？
RememberedSet（简称RS或RSet）就是用来解决这个问题的，RSet会记录引用的关系（记录old引用young，old引用old，其他不记录）。

每个Region中都有一个RSet，通过hash表实现，这个hash表的key是引用本区域的其他区域的地址（只记录old引用young和old引用old，不记录young引用young和young引用old），value是一个数组，数组的元素是引用方的对象所对应的Card Page在Card Table中的下标。mix gc时会重置Rset。

在做young GC的时候，只需要选定young region的RSet作为根集（即进行标记的时候，将RSet也作为ROOTS进行遍历），这些RSet记录了old->young的跨代引用，避免了扫描整个old generation, mixed gc的时候，也一样。所以RSet的引入大大减少了GC的工作量。
摘一段R大的解释：G1 GC则是在points-out的card table之上再加了一层结构来构成points-into RSet：每个region会记录下到底哪些别的region有指向自己的指针，而这些指针分别在哪些card的范围内。这个RSet其实是一个hash table，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。举例来说，如果region A的RSet里有一项的key是region B，value里有index为1234的card，它的意思就是region B的一个card里有引用指向region A。所以对region A来说，该RSet记录的是points-into的关系；而card table仍然记录了points-out的关系。

TLAB

TLAB（Thread Local Allocation Buffer）：本地线程缓冲区。
由于堆内存是应用程序共享的，应用程序的多个线程在分配内存的时候需要加锁以进行同步，为了避免加锁，G1 GC会默认会启用TLAB优化。每一个应用程序的线程会被分配一个TLAB，每个TLAB都是一个线程独享的，当对象不是Humongous对象，TLAB也能装的下的时候，对象会被优先分配于创建此对象的线程的TLAB中。这样分配会很快，因为TLAB隶属于线程，所以不需要加锁。

PLAB

PLAB（Promotion Thread Local Allocation Buffer）：“提升”线程本地分配缓冲区
思路跟TLAB一样，G1的回收过程是多线程执行的，为了避免多个线程往同一个内存分段进行复制，那么复制的过程也需要加锁。为了避免加锁，G1的每个线程都关联了一个PLAB，这样就不需要进行加锁了。

GC

g1的gc分：

young gc，采用标记-复制算法。
mix gc，采用标记-复制算法。
full gc，采用标记-整理算法。

young gc

当JVM无法将新对象分配到eden区域时（新生代的区域总大小超过新生代大小的限制），如果超出就会进行young gc。
young gc只选择年轻代区域（Eden/Survivor）进入回收集合（Collection Set，简称CSet）进行回收的模式。
G1为了满足用户停顿时间的配置，每次GC后，会在遵循用户设置的GC暂停时间上限的基础上，动态调整年轻代大小。
young gc是STW 。

gc步骤

选择收集集合（Choose CSet）：G1会在遵循用户设置的GC暂停时间上限的基础上，选择一个最大年轻带区域数，作为收集集合。
根处理（Root Scanning）：接下来，需要从GC ROOTS遍历，查找从ROOTS直达到收集集合的对象，移动他们到Survivor区域的同时将他们的引用对象加入标记栈。
RSet扫描（Scan RS）：将RSet作为ROOTS遍历，查找可直达到收集集合的对象，移动他们到Survivor区域的同时将他们的引用对象加入标记栈。
移动（Evacuation/Object Copy），遍历上面的标记栈，将栈内的所有所有的对象移动至Survivor区域。
剩下的就是一些收尾工作，Redirty（配合下面的并发标记），Clear CT（清理Card Table），Free CSet（清理回收集合），清空移动前的区域添加到空闲区等等，这些操作一般耗时都很短。

mix gc

混合回收：young + old。
会选择所有年轻代区域（Eden/Survivor）和部分老年代区域进去回收集合进行回收的模式。
当老年代使用的内存加上本次即将分配的内存，超过整堆比IHOP阈值（InitiatingHeapOccupancyPercent，默认45%）时，将启动mx gc。

先进行一次年轻代回收过程，这个过程是STW的。
初始标记
初始标记 Initial Mark：标记所有GC Root出发可以直接到达的对象，young gc后survivor的对象也会被视为GC Root，STW，会复用young gc的暂停时间（跟young gc一起执行）。
初始标记负责标记所有能被直接可达的根对象(原生栈对象、全局对象、JNI对象)，根是对象图的起点，因此初始标记需要将Mutator线程(Java应用线程)暂停掉，也就是需要一个STW的时间段。事实上，当达到IHOP阈值时，G1并不会立即发起并发标记周期，而是等待下一次年轻代收集，利用年轻代收集的STW时间段，完成初始标记，这种方式称为借道(Piggybacking)。在初始标记暂停中，分区的NTAMS都被设置到分区顶部Top，初始标记是并发执行，直到所有的分区处理完。
根分区扫描
根分区扫描 Root Region Scanning
在初始标记暂停结束后，年轻代收集也完成的对象复制到Survivor的工作，应用线程开始活跃起来。此时为了保证标记算法的正确性，所有新复制到Survivor分区的对象，都需要被扫描并标记成根，这个过程称为根分区扫描(Root Region Scanning)，同时扫描的Suvivor分区也被称为根分区(Root Region)。根分区扫描必须在下一次年轻代垃圾收集启动前完成(并发标记的过程中，可能会被若干次年轻代垃圾收集打断)，因为每次GC会产生新的存活对象集合。
并发标记
并发标记 Concurrent Marking：并发阶段。从上一个阶段扫描的对象出发逐个遍历查找，每找到一个对象就将其标记为存活状态，会扫描SATB。
和应用线程并发执行，并发标记线程在并发标记阶段启动，由参数-XX:ConcGCThreads(默认GC线程数的1/4，即-XX:ParallelGCThreads/4)控制启动数量，每个线程每次只扫描一个分区，从而标记出存活对象图。在这一阶段会处理Previous/Next标记位图，扫描标记对象的引用字段。同时，并发标记线程还会定期检查和处理STAB全局缓冲区列表的记录，更新对象引用信息。参数-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark会开启一个优化，如果一个类不可达(不是对象不可达)，则在重新标记阶段，这个类就会被直接卸载。所有的标记任务必须在堆满前就完成扫描，如果并发标记耗时很长，那么有可能在并发标记过程中，又经历了几次年轻代收集。如果堆满前没有完成标记任务，则会触发担保机制，经历一次长时间的串行Full GC。
存活数据计算
存活数据计算 Live Data Accounting
存活数据计算(Live Data Accounting)是标记操作的附加产物，只要一个对象被标记，同时会被计算字节数，并计入分区空间。只有NTAMS以下的对象会被标记和计算，在标记周期的最后，Next位图将被清空，等待下次标记周期。
重新标记（最终标记）
重新标记 Remark：会STW，虽然前面的并发标记过程中扫描了SATB，但是毕竟上一个阶段依然是并发过程，因此需要在并发标记完成后，再次暂停所有用户线程，再次标记SATB。
重新标记(Remark)是最后一个标记阶段。在该阶段中，G1需要一个暂停的时间，去处理剩下的SATB日志缓冲区和所有更新，找出所有未被访问的存活对象，同时安全完成存活数据计算。这个阶段也是并行执行的，通过参数-XX:ParallelGCThread可设置GC暂停时可用的GC线程数。同时，引用处理也是重新标记阶段的一部分，所有重度使用引用对象(弱引用、软引用、虚引用、最终引用)的应用都会在引用处理上产生开销。
清除
清除 Cleanup：识别高收益的老年代分区，清理和重置标记状态，STW。
紧挨着重新标记阶段的清除(Clean)阶段也是STW的。Previous/Next标记位图、以及PTAMS/NTAMS，都会在清除阶段交换角色。清除阶段主要执行以下操作：
RSet梳理，启发式算法会根据活跃度和RSet尺寸对分区定义不同等级，同时RSet数理也有助于发现无用的引用。参数-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy可以开启打印启发式算法决策细节；整理堆分区，为混合收集周期识别回收收益高(基于释放空间和暂停目标)的老年代分区集合；识别所有空闲分区，即发现无存活对象的分区。该分区可在清除阶段直接回收，无需等待下次收集周期。

full gc

当mix gc无法跟上内存分配的速度，导致老年代也满了，就会进行Full GC对整个堆进行回收。G1中的Full GC也而是单线程串行的，而且是全暂停，代价非常高。
以下场景中会触发full gc：

从年轻代分区拷贝存活对象时，无法找到可用的空闲分区。
从老年代分区转移存活对象时，无法找到可用的空闲分区。
分配巨型对象时在老年代无法找到足够的连续分区。

总结

G1并不属于一个高效率的回收器，对老年代使用复制式的回收算法，虽然没有碎片问题，但效率是较低的。因为老年代对象大多数是存活的，所以每次回收需要移动的对象很多。而清除算法中是清除死亡的对象，所以从效率上来看，清除算法在老年代中会更好。
但是由于G1这个可控制暂停的增量回收，可以保证每次暂停时间在允许范围内，对于大多数应用来说，暂停时间比吞吐量更重要。再加上G1的各种细节优化，效率已经很高了。

参考：
这可能是最清晰易懂的 G1 GC 资料
 JVM系列十六（三色标记法与读写屏障）