JVM G1垃圾回收机制介绍

G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)： Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而其他收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。

 

 

-XX:+UseG1GC -Xmx32g -XX:MaxGCPauseMillis=200

其中，-XX:+UseG1GC用于开启 G1 垃圾收集器，-Xmx32g用于设置堆内存的最大内存为 32G，-XX:MaxGCPauseMillis=200用于设置 GC 的最大暂停时间为 200ms。如果我们需要调优，在内存大小一定的情况下，我们只需要修改最大暂停时间即可。

 

关键字

LAB

由于分区的思想，每个线程均可以"认领"某个分区用于线程本地的内存分配，而不需要顾及分区是否连续。因此，每个应用线程和GC线程都会独立的使用分区，进而减少同步时间，提升GC效率，这个分区称为本地分配缓冲区(Lab)。

 

TLAB

应用线程可以独占一个本地缓冲区(TLAB)来创建的对象，而大部分都会落入Eden区域(巨型对象或分配失败除外)，因此TLAB的分区属于Eden空间；

 

GCLAB

每次垃圾收集时，每个GC线程同样可以独占一个本地缓冲区(GCLAB)用来转移对象，每次回收会将对象复制到Suvivor空间或老年代空间；

 

PLAB

对于从Eden/Survivor空间晋升(Promotion)到Survivor/老年代空间的对象，同样有GC独占的本地缓冲区进行操作，该部分称为晋升本地缓冲区(PLAB)。

 

G1堆内存结构

 

 

堆内存中一个区域 (Region) 的大小，可以通过 -XX:G1HeapRegionSize 参数指定，大小区间最小 1M 、最大 32M ，总之是 2 的幂次方。

 

默认是将堆内存按照 2048 份均分。

 

每个 Region 被标记了 E、S、O 和 H，这些区域在逻辑上被映射为 Eden，Survivor 和老年代。

 

存活的对象从一个区域转移（即复制或移动）到另一个区域。区域被设计为并行收集垃圾，可能会暂停所有应用线程。

 

此外，还有第四种类型，被称为巨型区域（Humongous Region）。

 

G1中的region的大小，由参数G1HeapRegionSize定义，如果没有定义，就由xms/2048计算region大小，如果小于1就取1，如果大于32就取32，如果是其他值，就取2,4,8,16相近的数值，总之是2的n次方。

 

G1中的region的数量不一定是2048，如果内存小于2G，每个region最小为1M，那么数量就小于2048，比如内存超过64g，每个region最大为32M，那么数量也就超过2048，例如，128g，那么region数量就为4096个。

 

巨形对象Humongous Region

存储超过 50% 标准 region 大小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。

 

如果一个 H 区装不下一个巨型对象，那么 G1 会寻找连续的 H 分区来存储。为了能找到连续的 H 区，有时候不得不启动 Full GC 。

 

Remember Set：

​ 在串行和并行收集器中，GC时是通过整堆扫描来确定对象是否处于可达路径中。然而G1为了避免STW式的整堆扫描，为每个分区各自分配了一个 RSet（Remembered Set），它内部类似于一个反向指针，记录了其它 Region 对当前 Region 的引用情况，这样就带来一个极大的好处：回收某个Region时，不需要执行全堆扫描，只需扫描它的 RSet 就可以找到外部引用，来确定引用本分区内的对象是否存活，进而确定本分区内的对象存活情况，而这些引用就是 initial mark 的根之一。

 

​ 事实上，并非所有的引用都需要记录在RSet中，如果引用源是本分区的对象，那么就不需要记录在 RSet 中；同时 G1 每次 GC 时，所有的新生代都会被扫描，因此引用源是年轻代的对象，也不需要在RSet中记录；所以最终只需要记录老年代到新生代之间的引用即可。

 

RSet 的写屏障

​ 写屏障是指，每次 Reference 引用类型在执行写操作时，都会产生 Write Barrier 写屏障暂时中断操作并额外执行一些动作。

 

​ 对写屏障来说，过滤掉不必要的写操作是十分有必要的，因为写栅栏的指令开销是十分昂贵的，这样既能加快赋值器的速度，也能减轻回收器的负担。G1 收集器的写屏障是跟 RSet 相辅相成的，产生写屏障时会检查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，如果不同，才通过 CardTable 把相关引用信息记录到引用指向对象的所在 Region 对应的 RSet 中，通过过滤就能使 RSet 大大减少。

 

（1）写前栅栏：即将执行一段赋值语句时，等式左侧对象将修改引用到另一个对象，那么等式左侧对象原先引用的对象所在分区将因此丧失一个引用，那么JVM就需要在赋值语句生效之前，记录丧失引用的对象。但JVM并不会立即维护RSet，而是通过批量处理，在将来RSet更新

 

（2）写后栅栏：当执行一段赋值语句后，等式右侧对象获取了左侧对象的引用，那么等式右侧对象所在分区的RSet也应该得到更新。同样为了降低开销，写后栅栏发生后，RSet也不会立即更新，同样只是记录此次更新日志，在将来批量处理

​ G1垃圾回收器进行垃圾回收时，在GC根节点枚举范围加入RSet，就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。另外JVM使用的其余的分代的垃圾回收器也都有写屏障，举例来说，每次将一个老年代对象的引用修改为指向年轻代对象，都会被写屏障捕获并记录下来，因此在年轻代回收的时候，就可以避免扫描整个老年代来查找根。

 

G1的垃圾回收器的写屏障使用一种两级的log buffer结构：

 

global set of filled buffer：所有线程共享的一个全局的，存放填满了的log buffer的集合

thread log buffer：每个线程自己的log buffer。所有的线程都会把写屏障的记录先放进去自己的log buffer中，装满了之后，就会把log buffer放到 global set of filled buffer中，而后再申请一个log buffer；