探索G1垃圾回收器

Posted 2021-03-29 HUC思梦

前言

最近王子因为个人原因有些忙碌，导致文章更新比较慢，希望大家理解，之后也会持续和小伙伴们一起共同分享技术干货。

上篇JVM的文章中我们对ParNew和CMS垃圾回收器已经有了一个比较透彻的认识，感兴趣的小伙伴可以去回看一下。

今天我们继续探索垃圾回收器G1的原理，让我们开始吧！

G1的内存模型

G1是从jdk7开始出现的，在jdk9中被设为默认垃圾收集器，目标就是彻底替换掉CMS，那么为什么它可以替换掉CMS呢？

首先我们就来看看它的内存模型吧。

其实G1是可以同时回收年轻代和老年代的，他最大的特点就是把jvm堆内存拆分为了多个大小相等的Region，那么还存在年轻代和老年代吗？

答案是肯定的，不同的是新生代可能包含了某些Region，老年代也可能包含了某些Region，如下图：

 

到底有多少Region？每个Region有多大呢？

其实这个默认情况下是自动计算的，假如我们给定整个堆内存大小为4096M，然后使用“-XX:+UseG1GC”指定垃圾回收器为G1，此时会自动用堆内存大小除以2048，因为JVM最多可以有2048个Region，然后Region的大小必须是2的倍数。

堆内存为4096M，就会分配给每个Region 2M的内存空间。我们使用G1默认的计算方式就可以了。

当然也可以通过参数“-XX:G1HeapRegionSize”来指定Region的大小。

新生代和老年代的默认比例是多少呢？

我们知道使用ParNew和CMS垃圾回收器时，新生代和老年代的默认比例是1:2，而使用G1后，默认新生代对堆内存的初始占比是5%，这个可以通过“-XX:G1NewSizePercent”来设置初始占比，一般不需要设置。

细心的小伙伴会发现，这里说的占比是初始占比，因为系统运行的时候，JVM其实会不停的给新生代增加更多的Region，但是最多新生代的占比不会超过60%，可以通过“-XX:G1MaxNewSizePercent”来设置。

而一旦发生了垃圾回收，新生代的Region数量还会减少，所以其实新生代和老年代的占比不是一成不变的，而是动态改变的。

新生代还有eden和survivor吗？

答案是肯定的，新生代还是有eden和survivor的，只不过内存占用会随着Region的增多而增大。

G1的停顿时间控制

除了内存的变化，G1还有一个最大的变化，就是可以让我们设置一个垃圾回收的预期停顿时间，也就是说我们可以指定G1垃圾回收导致“Stop the World”的最长时间。

我们知道JVM一大痛点就是"Stop the World"，尽量减少它的时间就可以做到JVM的优化。

引入G1后，我们可以自己去设定这个停顿的最长时间了，相当于直接控制了垃圾回收的性能。

G1要做到这一点就要去追踪每个Region的回收价值，那什么是回收价值呢？大家看下图：

 

比如两个Region中，其中一个有10M的垃圾对象，垃圾回收需要耗时1s，另一个有20M的垃圾对象，垃圾回收耗时200ms。

然后G1进行垃圾回收的时候，发现最近1小时垃圾回收已经导致了几百毫秒的系统停顿了，所以会选择回收价值高的Region进行回收，200ms的时间就能回收掉20M的垃圾对象，回收价值相对较高，所以会选择这个Region进行回收

G1控制停顿时间的思路，简单来讲就是，它会通过跟踪Region的回收价值，尽可能的保证系统停顿时间在你设定的停顿时间范围内。

G1的垃圾回收详解

上文我们了解到新生代还是有eden和survivor的，那么随着新生代占据堆内存大小的60%的时候，这个时候就会触发新生代的GC，G1也会使用之前我们说过的复制算法进行垃圾回收，进入一个“Stop the World”状态。

但是这个过程与之前的Minor GC其实是有差别的，首先回收的对象变成了带有垃圾对象的Region，然后回收的同时会根据设定的停顿时间进行价值回收，如上文所述。

 

什么时候进入老年代呢？

这个可以说和之前是一模一样的，简单介绍如下：

新生代躲过多次垃圾回收后会进入老年代；

GC后存活对象超过Survivor区的50%，那么会触发动态年龄判定规则，符合规则的进入老年代。

具体细节不在说明，可以参考王子之前的文章，有详细解释。

需要注意的是，G1的大对象不是存到老年代中的，而是提供了专门的Region来存放大对象。

在G1中，大对象的判断规则就是这个对象超过了一个Region大小的50%，比如Region是2M的，那如果你的对象超过了1M，就会被认定为大对象，做特殊处理。

而且如果这个大对象过大，可以横跨多个Region进行存储，如下图：

 

老年代具体又是怎么进行垃圾回收的呢？

这个过程说起来可能稍微复杂了一点，但是它和CMS的垃圾回收过程其实是类似的。关于CMS的垃圾回收的几个阶段可以回顾王子的上篇文章。

首先我们要弄明白，什么时候会触发新生代和老年代的混合垃圾回收？

G1有一个参数“-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent”，默认值为45%。

什么意思呢？就是说当老年代占据了堆内存的45%的Regionf的时候，就会触发混合垃圾回收。

 

具体流程是什么样的呢？

首先会触发一次初始标记操作，这个过程是要“Stop the World”的，对应的就是CMS的初始标记阶段，细节不再说明。

接着会进入并发标记阶段，这个阶段同样对应CMS的并发标记阶段，不再说明。

接着会进入最终标记阶段，这个阶段其实和CMS的重新标记阶段也基本一致。

最后就是混合回收阶段，这个阶段和CMS的并发清理阶段就不太一样了，这个阶段会计算每个Region中的存活对象数量，存活数量占比，还有执行垃圾回收的耗时等问题。

接着会进入“Stop the World”阶段，然后全力以赴进行垃圾回收，并尽量保证停止时间不超过我们设定好的时间，所以可能只会回收掉之前标记好的一部分垃圾对象。

为什么要叫做混合回收呢，因为它不仅仅回收的是老年代，新生代和大对象的Region也会同时进行回收，而具体回收哪些Region就要视情况而定了，根据价值回收价值G1会自己做出选择。

而混合回收是可以进行多次的，比如先停止系统，混合回收掉一部分Region，再停止系统，再执行一次混合回收。

有参数可以控制这个数量，“-XX:G1MixedGCCountTarget”参数，就是在一次混合回收的过程中，最后一个阶段执行几次，默认是8次。

 

为什么要这样反复多次的回收呢？

因为这样每次回收停止系统的时间都很短，在回收的间隙系统是可以正常运行的。

 

还有个参数“-XX:G1HeapWastePercent”,默认值是5%。

它的意思是，混合回收的时候，都是基于复制算法进行的，把Region存活的对象放入其他Region，然后清除掉本来的Region。那么当空闲的Region数量达到堆内存的5%，就会立即停止混合回收。

而通过这种复制算法回收，也不会出现像CMS标记清理算法导致的内存碎片问题。

 

还有个参数“-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent”，默认值是85%，意思就是回收Region的时候，存活的对象必须少于85%才可以被回收掉。否则存活对象太多，复制的时候成本是很高的。

 

如果回收失败怎么办？

如果在复制的时候发现没有空闲的Region可以承载存活的对象，那么会触发失败，立马停止系统进程，采用单线程进行标记、清理和压缩整理，空闲出一批Region，这个过程是极慢的。

总结

本文我们对G1的内存机制和垃圾回收的算法做了一个比较清晰的解释。

阅读完本文，相信小伙伴们自己可以总结出G1和CMS究竟有什么不一样了吧。

欢迎小伙伴们留言区讨论G1和CMS的区别，王子会第一时间回复。

那我们下篇文章再见。

 

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