JVM之G1垃圾收集器

一、概述：

 

G1（Grabage-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，以及高概率满足GC停顿时间的同时，还兼顾高吞吐量的的性能特征

在JDK1.7版本正式启用，移除了Experimental的标识，是JDK 9以后的默认垃圾回收器，取代了CMS 回收器以及Parallel + Parallel Ol的组合。被Oracle官方称为“全功能垃圾收集器”。

与此同时，CMS已经在JDK9中被标记为废弃（deprecated）。在jdk8中还不是默认垃圾收集器，需要使用-XX：+UserG1GC来启用。

二、为什么叫G1

a、因为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）物理上是不连续的，使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区、幸存者1区，老年代等。

三、G1回收器的特点：

a、并行与并发：

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。

b、分代收集：

（1）从分代上看，G1依然属于分代型垃圾收集器，它不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。

如下图：

 

 （2）将堆空间氛围若干个区域（Region），这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。

（3）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。

C、空间整合

（1）CMS：“标记-清除”算法、内存碎片，若干次GC后进行一次碎片整理

（2）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-压缩（Mark-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。

d、可预测的停顿时间模型（即：软实时soft real-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，能让使用明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗垃圾收集的时间不得超过N毫秒。

（1）由于分区的原因，G1可以之选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制

（2）G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所活得的空间大小以及回收所需要时间的经验值），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得进可能高的收集效率

（3）相比与CMS GC，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿、但最差情况要好很多。

四、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

五、参数设置：

-XX：+UserG1GC 手动指定使用G1收集器执行内存回收任务。

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

-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

-XX:ParallelGCThread 设置STW时GC线程数的值，最多设置为8

-XX：ConcGCThread 设置并发标记的线程数，将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallerlGCThreads）的1/4左右

-XX：InitiatingHeapOccupancyPercent 设置出发并发GC周期Java堆占用率的阈值。超过此值，就出发GC，默认值是45.

六、G1的使用

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

第一步：开启G1垃圾收集器

第二步：设置堆的最大内存

第三步：设置最大的停顿时间

G1中提供了三种垃圾回收模式：YoungGC、Mixed GC 和Full GC，在不同的条件下被触发。

七、G1 使用的场景：

 八、region的使用：

a、概述：使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成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，整个被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB、2MB、4MB、8MB、16MB、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，他们都是一部分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。

b、图解：

 一个Region有可能属于Eden，Survivor 或者 Old/Tenured 内存区域，但是一个region只可能属于一个角色。图中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。途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个新的内存区域，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。

c、设置H的原因：

对于堆中的大对象，默认直接分配到老年代，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区域装不下一个大对象，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区域作为老年代的一部分来看待。

d、region 分配方式：

 九、G1垃圾回收器的主要环节：

 图解：

 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 区间或者老年代区间，也有可能是两个区间都会涉及。

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

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 从老年代区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成了老年代的一部分，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。

十、记忆集和写屏障

前提：

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中的对象可能被其他任意Region中对象引用，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Minor GC 的效率。

解决如上问题：
无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set（记忆集）来避免全局扫描，

每个Region 都有一个对应的Remembered Set；

如图：

 每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier（写屏障）暂时中断操作，

然后检查将要写入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新生代对象）；

如果不同，通过CardTable 把相关引用信息记录到引用引用对象的所在的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中，就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。

十一、G1 具体收集过程：

 年轻代GC：

 

 备注：

 

 并发标记过程：

 混合回收：

 

 Full GC：

 十二、例子：

G1 正常的例子：