一、垃圾收集器簡(jiǎn)介

1、發(fā)展歷程

• 第一階段，Serial(串行)收集器
  在jdk1.3.1之前，java虛擬機(jī)僅僅能使用Serial收集器。 Serial收集器是一個(gè)單線(xiàn)程的收集器，但它的“單線(xiàn)程”的意義并不僅僅是說(shuō)明它只會(huì)使用一個(gè)CPU或一條收集線(xiàn)程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它進(jìn)行垃圾收集時(shí)，必須暫停其他所有的工作線(xiàn)程，直到它收集結(jié)束。

• 第二階段，Parallel(并行)收集器
  Parallel收集器也稱(chēng)吞吐量收集器，相比Serial收集器，Parallel最主要的優(yōu)勢(shì)在于使用多線(xiàn)程去完成垃圾清理工作，這樣可以充分利用多核的特性，大幅降低gc時(shí)間。

• 第三階段，CMS(并發(fā))收集器
  CMS收集器在Minor GC時(shí)會(huì)暫停所有的應(yīng)用線(xiàn)程，并以多線(xiàn)程的方式進(jìn)行垃圾回收。在Full GC時(shí)不再暫停應(yīng)用線(xiàn)程，而是使用若干個(gè)后臺(tái)線(xiàn)程定期的對(duì)老年代空間進(jìn)行掃描，及時(shí)回收其中不再使用的對(duì)象。

• 第四階段，G1(并發(fā))收集器
  G1收集器（或者垃圾優(yōu)先收集器）的設(shè)計(jì)初衷是為了盡量縮短處理超大堆（大于4GB）時(shí)產(chǎn)生的停頓。相對(duì)于CMS的優(yōu)勢(shì)而言是內(nèi)存碎片的產(chǎn)生率大大降低。

2、種類(lèi)

• 新生代

  • Serial (第一代)
  • PraNew (第二代)
  • Parallel Scavenge (第三代)
  • G1收集器(第四代)

• 老年代

  • Serial Old (第一代)
  • Parallel Old (第二代)
  • CMS (第三代)
  • G1

二、G1 介紹

1、概述

G1收集器的最大特點(diǎn)

• G1最大的特點(diǎn)是引入分區(qū)的思路，弱化了分代的概念
• 合理利用垃圾收集各個(gè)周期的資源，解決了其他收集器甚至CMS的眾多缺陷

G1相比較CMS的改進(jìn)

• 算法：基于標(biāo)記-整理算法，不會(huì)產(chǎn)生空間碎片，分配大對(duì)象時(shí)不會(huì)因得不到連續(xù)空間而提前觸發(fā) FULL GC
• 停頓時(shí)間可控： G1可以通過(guò)設(shè)置預(yù)期停頓時(shí)間 Pause Time 來(lái)控制垃圾收集時(shí)間避免應(yīng)用雪崩現(xiàn)象
• 并行與并發(fā)：G1 能充分利用 多核 CPU 的硬件優(yōu)勢(shì)來(lái)縮短 stop the world 的停頓時(shí)間

CMS和G1的區(qū)別

• CMS 的堆分為 PermGen、YoungGen、OldGen；而YoungGen又分了兩個(gè)survivo區(qū)域
  G1 的堆被分為區(qū)域(region)，每個(gè)區(qū)域雖然保留了新老代概念，但收集器是以整個(gè)區(qū)域?yàn)閱挝皇占?/li>
• G1在回收內(nèi)存后會(huì)馬上同時(shí)做合并空閑內(nèi)存的工作、而 CMS 默認(rèn)是在STW（stop the world）時(shí)做
• G1會(huì)在 Young GC 中使用、而 CMS 只能在 O 區(qū)使用

G1收集器的應(yīng)用場(chǎng)景

• G1垃圾收集算法主要應(yīng)用在多CPU大內(nèi)存的服務(wù)中，在滿(mǎn)足高吞吐量的同時(shí)，盡可能的滿(mǎn)足垃圾回收時(shí)的暫停時(shí)間。
• 就目前而言、CMS還是默認(rèn)首選的GC策略、可能在以下場(chǎng)景下G1更適合：
  • 服務(wù)端多核CPU、JVM內(nèi)存占用較大的應(yīng)用（至少大于4G）
  • 應(yīng)用在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量?jī)?nèi)存碎片、需要經(jīng)常壓縮空間
  • 想要更可控、可預(yù)期的GC停頓周期，防止高并發(fā)下應(yīng)用雪崩現(xiàn)象

2、G1的堆內(nèi)存算法

G1之前的JVM內(nèi)存模型：

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G1收集器的內(nèi)存模型：

• G1 收集器將整個(gè)Java 堆劃分成約 2048 個(gè)大小相同的獨(dú)立 Region 塊，每個(gè)Region塊大小根據(jù)堆空間的實(shí)際大小而定

  可以通過(guò) -XX :G1HeapRegionSize 設(shè)定，值在 1MB～32MB 之間且為 2 的次冪

• region 可能屬于 Eden、Survivor、0ld、Humongous 區(qū)域，但一個(gè)region只可能屬于一個(gè)角色

• Humongous 作用：用來(lái)專(zhuān)門(mén)存放大對(duì)象，一般使用連續(xù) region 區(qū)存儲(chǔ)，G1的大多數(shù)行為都把H區(qū)
  作為老年代的一部分來(lái)看待

3、G1 的特點(diǎn)、缺點(diǎn)

3.1 特點(diǎn)

①. 并行和并發(fā)

• 并行性：G1 在回收期間，可以有多個(gè)GC線(xiàn)程同時(shí)工作，有效利用多核計(jì)算能力
• 并發(fā)性：G1擁有與應(yīng)用程序交替執(zhí)行的能力，部分工作可以和應(yīng)用程序同時(shí)執(zhí)行

②. 分代收集

• 從分代上看，G1 仍屬于分代型垃圾回收器，會(huì)區(qū)分年輕代和老年代，年輕代依然有 Eden 區(qū)和 Survivor 區(qū)
  但從堆的結(jié)構(gòu)上看，不要求整個(gè) Eden 區(qū)、年輕代或老年代都連續(xù)，也不再堅(jiān)持固定大小和固定數(shù)量
• 將堆空間分為若干個(gè)區(qū)域(Region)，這些區(qū)域中包含了邏輯上的年輕代和老年代
• 和之前的各類(lèi)回收器不同，其同時(shí)兼顧年輕代和老年代

③. 空間整合

• 內(nèi)存回收以 region 為基本單位，Region之間是復(fù)制算法，但整體是標(biāo)記-壓縮算法，可以避免內(nèi)存碎片，有利于程序長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，分配大對(duì)象時(shí)不會(huì)因?yàn)闊o(wú)法找到連續(xù)內(nèi)存空間而提前觸發(fā)下一次GC

④. 可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型(即:軟實(shí)時(shí)soft real一time)
可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型：能讓使用者明確指定在一個(gè)長(zhǎng)度為 M 毫秒的時(shí)間片段內(nèi)，消耗在垃圾收集上的時(shí)間不得超過(guò) N 毫秒，通過(guò)參數(shù) -XX:MaxGCPauseMillis 設(shè)置

• 由于分區(qū)的原因，G1可以只選取部分區(qū)域進(jìn)行內(nèi)存回收，縮小回收范圍，避免全局停頓情況的發(fā)生
• G1 跟蹤各個(gè) Region 中垃圾堆積的價(jià)值大小(回收所獲得的空間大小以及回收所需時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值)，在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的收集時(shí)間，優(yōu)先回收價(jià)值最大的 Region，保證了G1收集器在有限的時(shí)間內(nèi)可以獲取盡可能高的收集效率。
• 相比于 CMS GC，G1未必能做到CMS在最好情況下的延時(shí)停頓，但最差情況要好很多

3.2 缺點(diǎn)

• 相較于CMS，G1 還不具備全方位、壓倒性?xún)?yōu)勢(shì)，如：G1 無(wú)論是為了垃圾收集產(chǎn)生的內(nèi)存占用，還是程序運(yùn)行時(shí)的額外執(zhí)行負(fù)載都要比 CMS 高
• 小內(nèi)存應(yīng)用上，CMS 的表現(xiàn)大概率會(huì)優(yōu)于 G1，而 G1 在大內(nèi)存應(yīng)用上則發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，平衡點(diǎn)在6-8GB之間

4、G1 獨(dú)有概念

4.1 RSet 與 card

RSet 與 card 專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理 Old 區(qū)到 Young 區(qū)的引用
Young 區(qū)到 Old 區(qū)的引用不需要單獨(dú)處理，因?yàn)?Young 區(qū)中的對(duì)象本身變化比較大，沒(méi)必要浪費(fèi)空間去記錄下來(lái)

• RSet：用來(lái)記錄外部指向本 Region 的所有引用，每個(gè) Region 維護(hù)一個(gè) RSet
• Card: JVM 將內(nèi)存劃分成了固定大小的 Card，類(lèi)比物理內(nèi)存上 page 的概念
  
• 每個(gè) Region 分成多個(gè) Card，其中綠色部分的 Card 表示該 Card 中有對(duì)象引用了其他 Card 中的對(duì)象，這種引用關(guān)系用藍(lán)色實(shí)線(xiàn)表示。
• RSet 其實(shí)是一個(gè)HashTable，Key 是 Region 的起始地址，Value 是Card Table(字節(jié)數(shù)組),字節(jié)數(shù)組下標(biāo)表示 Card 的空間地址，當(dāng)該地址空間被引用時(shí)會(huì)被標(biāo)記為 dirty_card

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RSet 的更新：

G1 采用 post-write barrier 和 concurrent refinement threads 更新 RSet，減少每次給引用類(lèi)型的字段賦值都要更新 RSet帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)

java 層面給 old 對(duì)象的 p 字段賦值 young 對(duì)象之后，jvm 底層會(huì)執(zhí)行 oop_store 方法

在賦值動(dòng)作的前后，JVM插入一個(gè) pre-write barrier 和 post-write barrier

post-write barrier 的最終動(dòng)作如下：

• 找到該字段所在的位置(Card)，并設(shè)置為 dirty_card
• 若當(dāng)前是應(yīng)用線(xiàn)程，每個(gè)Java線(xiàn)程有一個(gè) dirty card queue，把該 card 插入隊(duì)列
• 除了每個(gè)線(xiàn)程自帶的 dirty card queue，還有一個(gè)全局共享的 queue

RSet 更新操作交由多個(gè) ConcurrentG1RefineThread 并發(fā)完成，每當(dāng)全局隊(duì)列集合超過(guò)一定閾值后，ConcurrentG1RefineThread 會(huì)取出若干個(gè)隊(duì)列，遍歷每個(gè)隊(duì)列中記錄的card，并進(jìn)行處理，大概實(shí)現(xiàn)邏輯如下：
1、根據(jù) card 的地址，計(jì)算出 card 所在的 Region
2、若 Region 不存在，或 Region 是 Young 區(qū)，或該 Region 在回收集合中，則不進(jìn)行處理
3、最終使用閉合函數(shù) G1UpdateRSOrPushRefOopClosure::do_oop_nv() 的處理該 card 中的對(duì)象

refinement threads 線(xiàn)程數(shù)量可以通過(guò) -XX:G1ConcRefinementThreads 或 -XX:ParallelGCThreads 參數(shù)設(shè)置

4.2 Collection Set

收集集合(CSet)：一組可被回收的分區(qū)集合。在CSet中存活的數(shù)據(jù)會(huì)在GC過(guò)程中被移動(dòng)到另一個(gè)可用分區(qū)，CSet中的分區(qū)可以來(lái)自eden空間、survivor空間、老年代

GC時(shí)在CSet中的所有存活數(shù)據(jù)都會(huì)被轉(zhuǎn)移，分區(qū)釋放回空閑分區(qū)隊(duì)列

4.3 PLAB

在 GC 線(xiàn)程的晉升本地分配緩沖區(qū)(PLAB)中，對(duì)象晉升到 survivor 分區(qū)或老年代分區(qū)

每個(gè)線(xiàn)程有獨(dú)立的PLAB，作用是避免多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)相同數(shù)據(jù)

4.4 TLAB

JVM使用線(xiàn)程本地分配緩存TLAB 這種線(xiàn)程專(zhuān)屬的區(qū)間，來(lái)避免多線(xiàn)程沖突(無(wú)鎖方式)，提高對(duì)象分配效率

TLAB 本身占用了 Eden 空間，即 JVM 會(huì)為每一個(gè)線(xiàn)程都分配一塊 TLAB 空間

5、G1 回收過(guò)程

大致流程：

當(dāng) Eden 區(qū)用盡時(shí)，開(kāi)始年輕代回收，而 G1 的年輕代收集階段是一個(gè)并行(多個(gè)垃圾線(xiàn)程)的獨(dú)占式收集器

年輕代回收時(shí)，G1 暫停所有應(yīng)用程序線(xiàn)程，啟動(dòng)多線(xiàn)程執(zhí)行年輕代回收，然后移動(dòng)存活對(duì)象到Survivor 或 O 區(qū)

當(dāng)堆內(nèi)存使用達(dá)到一定值(默認(rèn)45%，-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)時(shí)，開(kāi)始老年代并發(fā)標(biāo)記過(guò)程

標(biāo)記完成馬上開(kāi)始混合回收過(guò)程，此時(shí) G1 從 O 區(qū)移動(dòng)存活對(duì)象到空閑區(qū)間

一次只需要掃描/回收一小部分老年代的 Region 就可以

若 GC 的評(píng)估失敗，則提供失敗保護(hù)機(jī)制，即強(qiáng)力回收 FULL GC(單線(xiàn)程、獨(dú)占式、高強(qiáng)度)

5.1 Young GC

• 回收時(shí)機(jī)：當(dāng) Eden 空間耗盡時(shí)，G1會(huì)啟動(dòng)一次年輕代垃圾回收過(guò)程
• 回收對(duì)象：年輕代垃圾回收只會(huì)回收 Eden 區(qū)和 Survivor 區(qū)

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回收流程：

• 第一階段，根掃描，根引用連同 RSet 記錄的外部引用作為掃描存活對(duì)象的入口
  • 根是指 static 變量指向的對(duì)象，正在執(zhí)行的方法調(diào)用鏈條上的局部變量等
  • 掃描 remembered Set，看是否有老年代中的對(duì)象引用了新生代對(duì)象
• 第二階段，更新 RSet
  • 處理 dirty card queue 中的 card，更新 RSet 后，可以準(zhǔn)確反映老年代對(duì)所在的內(nèi)存分段中對(duì)象的引用
• 第三階段，處理 RSet
  • 識(shí)別被老年代對(duì)象指向的 Eden 中的對(duì)象，這些被指向的 Eden 中的對(duì)象被認(rèn)為是存活的對(duì)象
• 第四階段，復(fù)制對(duì)象，遍歷對(duì)象樹(shù)
  • Eden 區(qū)內(nèi)存段中存活的對(duì)象會(huì)被復(fù)制到 Survivor 區(qū)中空的內(nèi)存分段
  • Survivor 區(qū)內(nèi)存段中存活的對(duì)象如果年齡未達(dá)閾值，年齡會(huì)加1，達(dá)到閥值會(huì)被復(fù)制到 old 區(qū)中空的內(nèi)存分段
  • 若 Survivor 空間不夠，Eden 空間的部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)直接晉升到老年代空間
• 第五階段，處理引用，處理 Soft、Weak、Phantom、Final、JNI Weak 等引用
  • 最終 Eden 空間的數(shù)據(jù)為空，GC停止工作，而目標(biāo)內(nèi)存中的對(duì)象都是連續(xù)存儲(chǔ)的，沒(méi)有碎片，所以復(fù)制過(guò)程可以達(dá)到內(nèi)存整理的效果，減少碎片

5.2 Concurrent Marking

初始標(biāo)記階段：標(biāo)記從根節(jié)點(diǎn)直接可達(dá)的對(duì)象，這個(gè)階段是 STW 的，并且會(huì)觸發(fā)一次年輕代 GC

根區(qū)域掃描(Root Region Scanning)：G1 GC 掃描 Survivor 區(qū)直接可達(dá)的老年代區(qū)域?qū)ο?/strong>，并標(biāo)記被引用的對(duì)象

這一過(guò)程必須在 young GC 之前完成(YoungGC時(shí)，會(huì)動(dòng) Survivor 區(qū)，所以這一過(guò)程必須在young GC之前完成)

并發(fā)標(biāo)記(Concurrent Marking)：在并發(fā)標(biāo)記階段，若發(fā)現(xiàn)區(qū)域?qū)ο笾械乃袑?duì)象都是垃圾，則這個(gè)區(qū)域會(huì)被立即回收，此過(guò)程可能被 young GC 中斷

并發(fā)標(biāo)記過(guò)程中，會(huì)計(jì)算每個(gè)區(qū)域的對(duì)象活性(區(qū)域中存活對(duì)象的比例)

再次標(biāo)記(Remark)：修正上一次的標(biāo)記結(jié)果，是 STW

獨(dú)占清理(cleanup,STW)：計(jì)算各個(gè)區(qū)域的存活對(duì)象和 GC 回收比例，并進(jìn)行排序，識(shí)別可以混合回收的區(qū)域，是STW 的

這個(gè)階段并不會(huì)實(shí)際上去做垃圾的收集

并發(fā)清理階段：識(shí)別并清理完全空閑的區(qū)域

5.3 Mixed GC

• 觸發(fā)時(shí)機(jī)：老年代的堆占有率達(dá)到參數(shù) -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 設(shè)定的值則觸發(fā)
• 回收對(duì)象：回收所有的 Young 和部分 Old(根據(jù)期望的GC停頓時(shí)間確定old區(qū)垃圾收集的優(yōu)先順序)以及大對(duì)象區(qū)
• 回收過(guò)程：MixedGC 主要使用復(fù)制算法，把各個(gè) region 中存活的對(duì)象拷貝到別的 region 里去，拷貝過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)沒(méi)有足夠的空 region 能夠承載拷貝對(duì)象就會(huì)觸發(fā)一次 Full GC

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• 并發(fā)標(biāo)記結(jié)束以后，老年代中百分百為垃圾的內(nèi)存分段被回收了，部分為垃圾的內(nèi)存分段被計(jì)算了出來(lái)。默認(rèn)情況下，這些老年代的內(nèi)存分段會(huì)分8次(可以通過(guò)-XX:G1MixedGCCountTarget設(shè)置)被回收
• 混合回收的回收集(Collection Set)包括八分之一的老年代內(nèi)存分段，Eden區(qū) 內(nèi)存分段，Survivor區(qū)內(nèi)存分段。 混合回收的算法和年輕代回收的算法完全一樣，只是回收集多了老年代的內(nèi)存分段。具體過(guò)程請(qǐng)參考上面的年輕代回收過(guò)程。
• 由于老年代中的內(nèi)存分段默認(rèn)分8次回收，G1會(huì)優(yōu)先回收垃圾多的內(nèi)存分段。垃圾占內(nèi)存分段比例越高的，越會(huì)被先回收。并且有一個(gè)閾值會(huì)決定內(nèi)存分段是否被回收，-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent，默認(rèn)為65%，意思是垃圾占內(nèi)存分段比例要達(dá)到65%才會(huì)被回收。如果垃圾占比太低，意味著存活的對(duì)象占比高，在復(fù)制的時(shí)候會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間
• 混合回收并不一定 要進(jìn)行8次。有一個(gè)閾值**-XX :G1HeapWastePercent**,默認(rèn)值為10%，意思是允許整個(gè)堆內(nèi)存中有10%的空間被浪費(fèi)，意味著如果發(fā)現(xiàn)可以回收的垃圾占堆內(nèi)存的比例低于10%，則不再進(jìn)行混合回收。因?yàn)镚C會(huì)花費(fèi)很多的時(shí)間但是回收到的內(nèi)存卻很少

5.4 Full GC

• 特點(diǎn)：G1會(huì)停止應(yīng)用程序的執(zhí)行(Stop-The-World) ，使用單線(xiàn)程的內(nèi)存回收算法進(jìn)行垃圾回收，性能會(huì)非常差，應(yīng)用程序停頓時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。
• 導(dǎo)致 G1 Full GC 的原因可能有兩個(gè): .
  • 回收時(shí)，沒(méi)有足夠的 to-space 來(lái)存放晉升對(duì)象
  • 并發(fā)處理過(guò)程沒(méi)完成空間就耗盡

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的G1 垃圾回收器的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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