搞懂系列三: G1垃圾收集器
點擊上方藍色字體，選擇“設為星標”
一.G1 GC術語
1.1 并發(fā)
并發(fā)的意思是Java應用執(zhí)行和垃圾收集活動可以同時進行
1.2 并行
并行的意思是垃圾收集運算是多線程執(zhí)行的，比如CMS垃圾收集器的年輕代就是并行的，并行與串行的區(qū)別如下圖，左邊為串行，右邊為并行：
1.3 STW
STW(stop the world)意思是在一個垃圾回收事件中，所有Java應用線程會被暫停。只有暫停，應用才不會產(chǎn)生新的垃圾，有益于垃圾收集器更好的標記垃圾對象。（這就像是你在家掃狗毛，肯定要把狗先關籠子，停止它的活動）
1.4 Region
請先忘記這個圖，學習G1過程中不會對每個代進行設置了
G1垃圾收集器利用分而治之的思想將堆進行分區(qū)，劃分為一個個的區(qū)域。每次收集的時候，只收集其中幾個區(qū)域，以此來控制垃圾回收產(chǎn)生的STW
G1和其他GC算法最大的區(qū)別是弱化分代概念，引入分區(qū)思想！！！
如果要另外選擇分區(qū)的尺寸，可以通過命令行選項：-XX:G1HeapRegionSize=n中進行設置
1.5 RSet
G1垃圾收集器里每一個RSet對應的是一個Region內部對象引用情況，說白了就是存在Region中存活對象的指針。在標記存活對象的時候，G1使用RSet概念，將每個分區(qū)指向分區(qū)內的引用記錄在該分區(qū)，避免對整個堆掃描，并行獨立處理垃圾集合
老年代對年輕代的引用，維護老年代分區(qū)指向年輕代分區(qū)的指針
老年代對老年代的引用。在這里，老年代中不同分區(qū)的指針將被維護在老年代擁有分區(qū)的RSet中
如下圖，我們可以看到3個分區(qū)，x（年輕代分區(qū)）、y和z（老年代分區(qū)）。x有一個來自z的對內引用。這個引用記錄在x的RSet中，分區(qū)z有2個對內引用，一個來自x一個來自y，因為年輕代分區(qū)作為一個整體回收的，所以只需記錄來自y的對內引用，不用記錄x的對內引用
1.6 CSet
Collection Set，簡稱CSet。在垃圾收集過程中收集的Region集合可以稱為收集集合（CSet），也就是在垃圾收集暫停過程中被回收的目標。GC時在CSet中的所有存活數(shù)據(jù)都會被轉移，分區(qū)釋放回空閑分區(qū)隊列
見下圖，左邊的年輕代收集CSet代表年輕代的一部分分區(qū)，右邊的混合收集CSet代表年輕代的一部分區(qū)和老年代的多個分區(qū)：
1.7 PLAB
Promotion Local Allocation Buffers，對象晉升到survivor分區(qū)或者老年代分區(qū)的過程是在GC線程的晉升本地分配緩沖區(qū)（PLAB）進行的，每個線程有獨立的PLAB。作用是避免多線程競爭相同數(shù)據(jù)。和下面介紹的TLAB思想是一致的
1.8 TLAB
Thread Local Allocation Buffers，線程本地分配緩存。JVM使用了TLAB這種線程專屬的區(qū)間來避免多線程沖突（無鎖方式），提高對象分配效率。TLAB本身占用了Eden空間，即JVM會為每一個線程都分配一塊TLAB空間
1.9 IHOP
InitiatingHeapOccupancyPercent，簡稱IHOP。缺省情況是Java堆內存的45%。當老年代的空間超過45%，G1會啟動一次混合周期收集
這也是G1和CMS之間較大的區(qū)別，G1的百分比是相對于整個Java堆而言的，CMS（CMSInitiatingOccupancyFraction）僅僅是針對老年代空間的占比。
為什么G1如此設計？？？
因為G1沒有固定物理上分割一塊內存作為老年代，而是用了Region的思想，這些Region可能是eden，survivor、老年代或者巨型分區(qū)，所以獲取針對老年代本身的占用百分比沒有意義
2.10 巨型分區(qū)
巨型對象會以連續(xù)分區(qū)的形式來存放，這種就叫巨型分區(qū)。巨型對象無法利用年輕代里的TLAB和PLAB。在JDK 8u40之前，它只能在并發(fā)收集周期的清除階段回收，但是在JDK 8u40之后，巨型分區(qū)可以在年輕代收集中和full GC被回收
二.G1的設計
2.1 為什么會有G1？
為什么會有G1呢？因為并發(fā)、并行和CMS垃圾收集器都有2個共同的問題：
老年代收集器大部分操作都必須掃描整個老年代空間（標記，清除和壓縮）。這就導致了GC隨著Java堆空間而線性增加或減少
年輕代和老年代是獨立的連續(xù)內存塊，所以要先決定年輕代和年老代放在虛擬地址空間的位置
2.2 Region的設計
上面說到，G1垃圾收集器利用分而治之的思想將堆進行分區(qū)，劃分為一個個的區(qū)域。G1垃圾收集器將堆拆成一系列的分區(qū)，這樣的話，大部分的垃圾收集操作就只在一個分區(qū)內執(zhí)行，而不是整個堆或者整個代
2.3 設計目標
G1的設計目標就是把必要的調整限定在以下2個：
設置最大的Java堆空間
設置指定GC暫停時間
G1會通過調整Java堆尺寸大小來滿足設定的暫停時間目標，暫停時間目標越短，年輕代空間越小，老年代空間相對越大
2.4 使用場景
G1 GC切分堆內存為多個區(qū)間（Region），從而避免很多GC操作在整個Java堆或者整個年輕代進行。G1 GC只關注你有沒有存貨對象，都會被回收并放入可用的Region隊列。G1 GC是基于Region的GC，適用于大內存機器。即使內存很大，Region掃描，性能還是很高的
如果現(xiàn)在采用的收集器沒有問題，就不要選擇G1，如果追求低停頓，那么G1已經(jīng)是一個可嘗試的選擇，如果追求吞吐量，就不要選G1了
四.G1的垃圾回收
G1的垃圾收集周期主要有4種類型：年輕代收集周期、多級并發(fā)標記周期、混合收集周期和full GC（轉移失敗的安全保護機制）
這一節(jié)我會以應用啟動的時間順序來講，這樣比較易懂一點，也可以參照G1垃圾收集活動時序圖：
4.1 年輕代收集
應用剛啟動，慢慢流量進來，開始生成對象。G1會選一個分區(qū)并指定他為eden分區(qū)，當這塊分區(qū)用滿了之后，G1會選一個新的分區(qū)作為eden分區(qū)，這個操作會一直進行下去直到達到eden分區(qū)上限，也就是說eden分區(qū)已經(jīng)被占滿，那么會觸發(fā)一次年輕代收集
年輕代收集首先做的就是遷移存活對象，它使用單eden，雙survivor進行復制算法，它將存活的對象從eden分區(qū)轉移到survivor分區(qū)，survivor分區(qū)內的某些對象達到了任期閾值之后，會晉升到老年代分區(qū)中。原有的年輕代分區(qū)會被整個回收掉
同時，年輕代收集還負責維護對象年齡，存活對象經(jīng)歷過年輕代收集總次數(shù)等信息。G1將晉升對象的尺寸總和和它們的年齡信息維護到年齡表中，結合年齡表、survivor占比（--XX:TargetSurvivorRatio 缺省50%）、最大任期閾值（--XX:MaxTenuringThreshold 缺省為15）來計算出一個合適的任期閾值
調優(yōu)：我們可以通過--XX:MaxGCPauseMillis，調優(yōu)年輕代收集，縮小暫停時間
4.2 并發(fā)標記周期
隨著時間推移，越來越多的對象晉升到老年代中，當老年代占比（相對于Java總堆而言）達到IHOP參數(shù)（上圖的IHOP Trigger）之后，那么G1首先會觸發(fā)并發(fā)標記周期（上圖的Concurrent Marking Cycle），當完成后才會開始下一小節(jié)的混合垃圾收集周期
G1的并發(fā)標記循環(huán)分5個階段：
第一階段：初始標記（上圖Young Collection with Initial Mark），收集所有GC根（對象的起源指針，根引用），STW，在年輕代完成
第二階段：根區(qū)間掃描，標記所有幸存者區(qū)間的對象引用
第三階段：并發(fā)標記（上圖Concurrent Marking），標記存活對象
第四階段：重新標記（上圖Remark），是最后一個標記階段，STW，很短，完成所有標記工作
第五階段：清除（上圖Clean），回收沒有存活對象的Region并加入可用Region隊列
調優(yōu)：我們可以通過--XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，配置適合應用的IHOP值（過大會可能轉移失敗，過小可能過早引起并發(fā)標記周期）
我們也可以通過--XX:ConcGCThreads，增加并發(fā)線程數(shù)
4.3 混合收集周期
當達到IHOP參數(shù)并完成上一小節(jié)的并發(fā)標記周期之后，混合收集周期就啟動了，一個周期里的單次STW的混合收集和年輕代收集是類似的，唯一區(qū)別就是在混合收集過程中會包含一部分老年分區(qū)，所以也叫混合收集
看上圖的Mixed Collection Cycle，中間有好幾段Mixed Collection，說明混合收集周期包含多次收集次數(shù)。那么什么影響收集次數(shù)呢？是固定的？還是？有兩個參數(shù)比較重要：
-XX:G1MixedGCCountTarget：缺省值為8，意思是能啟動混合收集的數(shù)目設定一個物理限制。G1根據(jù)將回收的老年分區(qū)除以該參數(shù)值得到每次混合收集的老年代CSet最小數(shù)量
-XX:G1HeapWastePercent：缺省值為5%，每次混合收集暫停，G1算出廢物百分比，根據(jù)堆廢物百分比，當收集達到參數(shù)時，不再啟動新的混合收集
調優(yōu)：當暫停時間和運行時間呈現(xiàn)指數(shù)級增長，可以通過-XX:G1HeapWastePercent，調高該參數(shù)會有所幫助，但這也導致更多碎片化
4.4 full GC
有2個條件同時滿足則會觸發(fā)full GC
1.拷貝存活對象晉升（promotion）失敗，無法找到可用的空閑分區(qū)，GC日志記錄為to-space exhausted。或者分配巨型對象無法在老年代找到連續(xù)足夠的分區(qū)
2.當發(fā)生第一個條件后，G1會嘗試增加堆使用量，如果擴展失敗，那么會觸發(fā)安全措施機制同時發(fā)生full GC
full GC中，單個線程會對整個堆的所有代中所有分區(qū)做標記、清除以及壓縮動作！！非常非常昂貴的操作！
------------- END ------------- 掃描下方二維碼，加入技術群。暗號：加群