JVM 垃圾回收器之Garbage First

垃圾回收器

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Garbage First GC

记录JVM学习笔记，理解可能存在偏差，望指正。

G1 垃圾收集器

关键词：Region、分区算法、延时可控、停顿预测模型、并行、并发、RSet、MixedGC

G1希望实现的目标：延迟可控的情况下尽可能的提高吞吐量

概述

• G1是一个并行、并发兼具的垃圾回收器，将内存分为很多不相干的区域（Region 物理上是不连续的）
• G1有计划的避免在整个堆中进行GC，每次根据允许的收集时间，优先收集最大价值的Region
• G1面对服务端应用，主要正对配备多核CPU及大容量内存的机器
• G1 在JDK7中正式启用，JDK9后的默认垃圾回收器

内存分配策略

在G1垃圾回收器中同时用到了两种内存分配策略

1. 指针碰撞：在一个Region中通过指针碰撞为新的对象分配内存
2. 空闲列表：维护一个LinkedList来保存空闲的Region

保留分代收集思想

• G1仍然保留分代思想，还是将堆内存分为新生代、老年代
• 在内存分布上不再固定，G1将内存划分为多个Region
• Region可以动态扮演不同的角色（新生代、老年代、Humongous），大小超过一个Region的对象会存放在连续的HumongousRegion中，通常情况下会当作老年代处理。

空间整合

• G1有碎片整理，G1的内存回收以Region为单位，Region之间是复制算法，整体上可以看作是标记压缩算法。

停顿预测统计模型

G1通过衰减均值对每个Region回收的时耗、垃圾数量和其他可测量的成本进行计算获取一系列的统计值。衰减均值可以表示最近的平均状态，通过统计值来预测现在开始垃圾回收，哪一个Region会有更好的效益。维护一个优先列表，因此命名为Garbage First回收效益第一的Region。

跨区引用的解决方案

卡表

卡表（CardTable），由内存卡片（Card）构成

每一个Region默认按照512kb划分为很多卡片构成一张卡表，RSet记录的是卡的位置而不是对象本身

记忆集

记忆集（Remember Set，R Set），是为了解决跨Region的对象引用，在YoungGC时，如果对象被老年代的对象引用，则不应该被清除，但由于G1收集器的堆内存是分区的，需要遍历整个堆才能得到对象的引用关系，在YGC时遍历整个堆内存是不合理的。

每一个Region都分配了一个RSet，存储了对象的引用关系（Region1的Region1Card_x引用了Region2的Region2Card_y），有这样的引用关系后，可达性分析就只需要获得GC Roots，不需要遍历整个堆空间

回收阶段详解

YOUNG GC 阶段

1. 根扫描（初始化标记）
2. 更新脏卡队列（可能代码执行过程中修改了卡的引用关系），更新Rset（同步），这样保证了得到的Rset的引用关系是最新的
3. 处理Rset，识别被老年代引用的Eden区、S区中的对象，即告诉垃圾收集器这个对象不是垃圾
4. 复制对象，Eden区存活的对象会被复制到S区的空闲区域，年龄自增，达到阈值的进入老年区，部分对象会之间晋升到老年区（由于是复制算法，G1实现了碎片整理）
5. 处理引用，由于复制对象造成Region发生变化，所以要更新Rset

并发标记阶段

标记垃圾的过程是比较耗时的因为需要遍历引用关系，但这个过程是并发执行的，并不是STW，GC线程和用户线程同时工作。

1. 并发标记：如果发现Region中都是垃圾会直接进行实时回收而不需要等待下一个阶段。
2. 再次标记（STW）：由于并发标记的过程是并发的，用户线程可能修改了引用关系，所以需要对标记进行修正。
3. 独占清理（STW）：计算每个Region的回收比例，并且进行排序，为后续阶段做准备
4. 并发清理：识别并完全清理空闲的Region

MIXED GC 阶段

• 这个阶段中，回收率100%的Region已经被实时清除，只剩下含有部分垃圾的Region
• 当堆内存占用达到一定的阈值-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent后，自动进行混合回收
• 区分MixedGC和FullGC，MixedGC只回收部分老年代
• 老年代垃圾内存分段将分8次-XX:G1MixedGCCountTarget进行回收，回收比例高的分段优先回收
• 当然也不一定执行8次，因为-XX:G1HeapWastePercent指定了允许的浪费空间比例

G1存在的缺陷

• 额外的内存空间
• 额外的执行负载

G1的适用场景

• 首先是服务端应用、大内存、多CPU处理器
• 应用要求GC是低延迟的，停顿时间可控的
• 可以用来替换CMS

注意点

• 停顿时间不是越短越好，如果停顿时间过短，可能导致每次只能处理少数Region，对象生成的速度大于垃圾处理的速度，最终将导致FullGC

常用参数

参数名称	默认值	作用
-XX:+UseG1GC	JDK9后版本默认使用G1	启动G1垃圾回收器
-XX:G1HeapRegionSize	1m	设置Region的大小（1m～32m 必须是2的幂次）
-XX:MaxGCPauseMillis	200ms	设置最大停顿时间
-XX:ParallelGCThreads	8	并行线程数
-XX:ConcGCThreads	2	并发线程数，推荐 1/4 并行线程
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent	45%	设置触发并发标记的对内存占用阈值
-XX:G1MixedGCCountTarget	8	MixedGC阶段分几次完成
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent	65%	设置触发MixedGC的堆内存占用阈值
-XX:G1HeapWastePercent	10%	设置允许的堆内存浪费

优化建议

1. 年轻代大小
   使用G1垃圾收集器时，不要通过Xmn、-XX:NewRatio设置固定的年轻代大小，而是交给G1垃圾收集器动态设置，否则将覆盖目标停顿时间。

2. 停顿时间设置不要过小