G1垃圾收集器详解

  

因为热爱所以坚持，因为热爱所以等待。熬过漫长无戏可演的日子，终于换来了人生的春天，共勉！！！

目录

1.认识G1垃圾收集器

2.分区Region：化整为零

3.G1垃圾收集器的特点、缺点

4. 参数设置

5.G1的使用场景

6. G1回收器垃圾回收过程

记忆集与写屏障

G1回收细节详解

①. G1回收过程一：年轻代GC

②. 回收过程二：老年代并发标记过程

③. 混合回收 Mixed GC

④. G1的可选过程四：Full GC

7. G1回收器优化建议

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1. 什么是G1垃圾收集器？

①. G1(Garbage-First)是一款面向服务端应用的垃圾收集器,主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器,以极高概率满足GC停顿时间的同时,还兼具高吞吐量的性能特征

②. 在JDK1.7版本正式启用,是JDK 9以后的默认垃圾收集器,取代了CMS 回收器。

2. 为什么名字叫Garbage First？

①. G1是一个并行回收器,它把堆内存分割为很多不相关的区域(region物理上不连续),把堆分为2048个区域,每一个region的大小是1 - 32M不等,必须是2的整数次幂。使用不同的region可以来表示Eden、幸存者0区、幸存者1区、老年代等

②. 每次根据允许的收集时间,优先回收价值最大的Region
(每次回收完以后都有一个空闲的region,在后台维护一个优先列表)

③. 由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间(Region),所以我们给G1一个名字:垃圾优先(Garbage First)

④. 下面说一个问题:既然我们已经有了前面几个强大的GC,为什么还要发布Garbage First(G1)GC？

• 官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量,所以才担当起"全功能收集器"的重任与期望。

2.分区Region：化整为零

• 使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB,2MB, 4MB, 8MB, 1 6MB, 32MB。可以通过-XX :G1HeapRegionSize设定。所有的Region大小相同，且在JVM生命周期内不会被改变。
• 虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了,它们都是一部分Region (不需要连续)的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑上的连续。

•  一个region有可能属于Eden， Survivor 或者0ld/Tenured 内存区域。但是一个region只可能属于一个角色。图中的E表示该region属于Eden内存区域，s表示属于Survivor内存区域，o表示属于old内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。
• G1垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过1.5个region, 就放到H。
• 设置H的原因:

        对于堆中的大对象，默认直接会被分配到老年代，但是如果它是一个短期存在的大对象，
就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，
它用来专门存放大对象。如果一个H区装不下一个大对象，那么G1会寻找连续的H区来
存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。 G1的大多数行为都把H区
作为老年代的一部分来看待。

3.G1垃圾收集器的特点、缺点

①. 并行和并发

• 并行性: G1在回收期间,可以有多个GC线程同时工作,有效利用多核计算能力。此时用户线程STW
• 并发性: G1拥有与应用程序交替执行的能力,部分工作可以和应用程序同时执行,因此,一般来说,不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况

②. 分代收集

• 从分代上看,G1依然属于分代型垃圾回收器,它会区分年轻代和老年代,年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看,它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的,也不再坚持固定大小和固定数量。
• 将堆空间分为若干个区域(Region),这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
• 和之前的各类回收器不同,它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器,或者工作在年轻代,或者工作在老年代

 

③. 空间整合

• G1将内存划分为一个个的region。 内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法,但整体上实际可看作是标记一压缩(Mark一Compact)算法,两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行,分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候,G1的优势更加明显)

④. 可预测的停顿时间模型(即:软实时soft real一time)
        这是 G1 相对于 CMS 的另一大优势,G1除了追求低停顿外,还能建立可预测的停顿时间模型,能让使用者明确指定在一个长度为 M 毫秒的时间片段内,消耗在垃圾收集上的时间不得超过 N 毫秒、可以通过参数-XX:MaxGCPauseMillis进行设置)

• 由于分区的原因,G1可以只选取部分区域进行内存回收,这样缩小了回收的范围,因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制
• G1 跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的价值大小(回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值),在后台维护一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先回收价值最大的Region。保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
• 相比于CMS GC,G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿,但是最差情况要好很多

⑤. 缺点:

• 相较于CMS,G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中,G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用(Footprint)还是程序运行时的额外执行负载(Overload)都要比CMS要高。
• 从经验上来说,在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1,而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在6-8GB之间

4. 参数设置

①. -XX:+UseG1GC:手动指定使用G1收集器执行内存回收任务（JDK9后不用设置，默认就是G1）

②. -XX:G1HeapRegionSize:设置每个Region的大小。值是2的幂,范围是1MB到32MB之间,目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000

③. -XX:MaxGCPauseMillis:设置期望达到的最大GC停顿时间指标(JVM会尽力实现,但不保证达到)。默认值是200ms（如果这个值设置很小,如20ms,那么它收集的region会少,这样长时间后,堆内存会满。产生FullGC,FullGC会出现STW,反而影响用户体验)

④. -XX:ParallelGCThread:设置STW时GC线程数的值。最多设置为8(垃圾回收线程)

⑤. -XX:ConcGCThreads:设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数(ParallelGCThreads)的1/4左右

⑥. -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent:设置触发并发GC周期的Java堆占用率阈值。超过此值,就触发GC。默认值是45

5.G1的使用场景

• 面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。(在普通大小的堆里表现并不

惊喜)，最主要的应用是需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案

                如:在堆大小约6GB或更大时，可预测的暂停时间可以低于0.5秒; ( G1通过每次只清理一         部分而不是全部的Region的增量式清理来保证每次GC停顿时间不会过长)

• 用来替换掉JDK1.5中的CMS收集器

        在下面的情况时，使用G1可能比CMS好:
                ①超过50%的Java堆被活动数据占用;
                ②对象分配频率或年代提升频率变化很大;
                ③GC停顿时间过长(长于0.5至1秒)。

• HotSpot垃圾收集器里，除了G1以外，其他的垃圾收集器使用内置的JVM线程执行GC的多线程操作，而G1 GC可以采用应用线程承担后台运行的GC工作，即当JVM的GC线程处理速度慢时，系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。

6. G1回收器垃圾回收过程

①. G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：

• 年轻代GC (Young GC)
• 老年代并发标记过程 (Concurrent Marking)
• 混合回收(Mixed GC)

(如果需要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是继续存在的。它
针对GC的评估失败提供了-种失败保护机制，即强力回收。)
 

 顺时针young gc -> young gc + concurrent mark-> Mixed GC顺序,进行垃圾回收

②. 应用程序分配内存,当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程；G1的年轻代收集阶段是一个并行(多个垃圾线程)的独占式收集器。在年轻代回收期,G1 GC暂停所有应用程序线程,启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间,也有可能是两个区间都会涉及

③. 当堆内存使用达到一定值(默认45%)时,开始老年代并发标记过程

④. 标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期,G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间,这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同,老年代的G1回收器和其他GC不同,G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收,一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了。同时,这个老年代Region是和年轻代一起被回收的。

⑤. 举个例子：一个Web服务器,Java进程最大堆内存为4G,每分钟响应1500个请求,每45秒钟会新分配大约2G的内存。G1会每45秒钟进行一次年轻代回收,每31个小时整个堆的使用率会达到45%,会开始老年代并发标记过程,标记完成后开始四到五次的混合回收

记忆集与写屏障

①. 一个对象被不同区域引用的问题:

• 一个Region不可能是孤立的,一个Region中的对象可能被任意Region中的对象引用,如新生代中引用了老年代,这个时候垃圾回收时,会去扫描老年代,会出现STW
• 判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确?
• 在其他的分代收集器，也存在这样的问题？(而G1更突出)
• 回收新生代也不得不同时扫描老年代?
• 这样的话会降低MinorGC的效率

②. 解决方法:

• 无论是G1还是分带收集器,JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描。每个Region都有一个对应的Remembered Set
• 每次Reference类型数据写操作时,都会产生一个Write Barrier（写屏障）暂时
• 然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region (其他收集器:检查老年代对象是否引用了新生代对象)
• 如果不同,通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中；
• 当进行垃圾收集时,在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set；就可以保证不进行全局扫描,也不会有遗漏

G1回收细节详解

①. G1回收过程一：年轻代GC

回收时机
(1). 当Eden空间耗尽时,G1会启动一次年轻代垃圾回收过程
(2). 年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区
(3). 回收前:

 (4). 回收后:

第一阶段，根扫描:

• 一定要考虑remembered Set,看是否有老年代中的对象引用了新生代对象
• 根是指static变量指向的对象,正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口)

第二阶段，更新RSet:

• 处理dirty card queue(见备注)中的card,更新RSet。 此阶段完成后,RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用

                dirty card queue: 对于应用程序的引用赋值语句object.field=object,JVM会在之前和之         后执行特殊的操作以在dirty card queue中入队一个保存了对象引用信息的card。在年轻代回         收的时候,G1会对Dirty CardQueue中所有的card进行处理,以更新RSet,保证RSet实时准确的         反映引用关系。那为什么不在引用赋值语句处直接更新RSet呢？这是为了性能的需要,RSet的         处理需要线程同步,开销会很大,使用队列性能会好很多

第三阶段，处理RSet:

• 识别被老年代对象指向的Eden中的对象,这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象

第四阶段，复制对象:

• 此阶段,对象树被遍历,Eden区 内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段,Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值,年龄会加1,达到阀值会被会被复制到old区中空的内存分段。如果Survivor空间不够,Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代空间

第五阶段，处理引用:

处理Soft,Weak, Phantom, Final, JNI Weak等引用。最终Eden空间的数据为空,GC停止工作,而目标内存中的对象都是连续存储的,没有碎片,所以复制过程可以达到内存整理的效果,减少碎片

②. 回收过程二：老年代并发标记过程

一、初始标记阶段:

• 标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW的,并且会触发一次年轻代GC

二、根区域扫描(Root Region Scanning):

• G1 GC扫描Survivor区直接可达的老年代区域对象,并标记被引用的对象。这一过程必须在young GC之前完成(YoungGC时,会动Survivor区,所以这一过程必须在young GC之前完成)

三、并发标记(Concurrent Marking):

• 在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行),此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段,若发现区域对象中的所有对象都是垃圾,那这个区域会被立即回收。同时,并发标记过程中,会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

四、再次标记(Remark):

• 由于应用程序持续进行,需要修正上一次的标记结果。是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot一at一the一beginning (SATB).

五、独占清理(cleanup,STW):

• 计算各个区域的存活对象和GC回收比例,并进行排序,识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是STW的。(这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集)

六、并发清理阶段:

• 识别并清理完全空闲的区域

③. 混合回收 Mixed GC

Mixed GC并不是FullGC,老年代的堆占有率达到参数(-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)设定的值则触发,回收所有的Young和部分Old(根据期望的GC停顿时间确定old区垃圾收集的优先顺序)以及大对象区,正常情况G1的垃圾收集是先做MixedGC,主要使用复制算法,需要把各个region中存活的对象拷贝到别的region里去,拷贝过程中如果发现没有足够的空region能够承载拷贝对象就会触发一次Full GC

• 并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下，这些老年代的内存分段会分8次(可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置)被回收。
• 混合回收的回收集(Collection Set)包括八分之一的老年代内存分段，Eden区 内存分段，Survivor区内存分段。 混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样，只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程请参考上面的年轻代回收过程。
• 由于老年代中的内存分段默认分8次回收，G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收，-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent，默认为65%，意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会花费更多的时间。
• 混合回收并不一定 要进行8次。有一个阈值-XX :G1HeapWastePercent,默认值为10%，意思是允许整个堆内存中有10%的空间被浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%，则不再进行混合回收。因为GC会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。

④. G1的可选过程四：Full GC

• G1的初衷就是要避免Fu1l GC的出现。但是如果上述方式不能正常工作，G1会停止应用程序的执行(Stop-The-World) ，使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。
• 要避免Full GC的发生，一旦发生需要进行调整。什么时候会发生Full GC呢? 比如堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到full gc， 这种情况可以通过增大内存解决。
• 导致G1Full GC的原因可能有两个: .

        1. 回收的时候没有足够的to-space来存放晋升的对象
        2.并发处理过程没完成空间就耗尽了

7. G1回收器优化建议

①.年轻代大小

• 避免使用-Xmn或-Xx :NeyvRatio等相关选项显式设置年轻代大小
• 固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标

②.暂停时间目标不要太过严苛

• G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间
• 评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这些会直接影响到吞吐量。

  

参考视频 : 尚硅谷JVM全套教程，百万播放，全网巅峰（宋红康详解java虚拟机)
参考书籍 : 深入理解Java虚拟机