JVM19_G1垃圾收集器概述特点常用参数Region详解记忆集与写屏障年轻代GC并发标记过程Mixed GCFull GC

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JVM19_G1垃圾收集器概述特点常用参数Region详解记忆集与写屏障年轻代GC并发标记过程Mixed GCFull GC相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

①. 什么是G1垃圾收集器

  • ①. G1(Garbage-First)是一款面向服务端应用的垃圾收集器,主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器,以极高概率满足GC停顿时间的同时,还兼具高吞吐量的性能特征

  • ②. 在JDK1.7版本正式启用,是JDK 9以后的默认垃圾收集器,取代了CMS 回收器。

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②. 为什么名字叫Garbage First

  • ①. G1是一个并行回收器,它把堆内存分割为很多不相关的区域(region物理上不连续),把堆分为2048个区域,每一个region的大小是1 - 32M不等,必须是2的整数次幂。使用不同的region可以来表示Eden、幸存者0区、幸存者1区、老年代等

  • ②. 每次根据允许的收集时间,优先回收价值最大的Region
    (每次回收完以后都有一个空闲的region,在后台维护一个优先列表)

  • ③. 由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间(Region),所以我们给G1一个名字:垃圾优先(Garbage First)

  • ④. 下面说一个问题:既然我们已经有了前面几个强大的GC,为什么还要发布Garbage First(G1)GC？
    官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量,所以才担当起"全功能收集器"的重任与期望。

③. G1垃圾收集器的特点、缺点

  • ①. 并行和并发
  1. 并行性: G1在回收期间,可以有多个Gc线程同时工作,有效利用多核计算能力。此时用户线程STW
  2. 并发性: G1拥有与应用程序交替执行的能力,部分工作可以和应用程序同时执行,因此,一般来说,不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况
  • ②. 分代收集
  1. 从分代上看,G1依然属于分代型垃圾回收器,它会区分年轻代和老年代,年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看,它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的,也不再坚持固定大小和固定数量。
  2. 将堆空间分为若干个区域(Region),这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
  3. 和之前的各类回收器不同,它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器,或者工作在年轻代,或者工作在老年代

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  • ③. 空间整合
    (G1将内存划分为一个个的region。 内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法,但整体上实际可看作是标记一压缩(Mark一Compact)算法,两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行,分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候,G1的优势更加明显)

  • ④. 可预测的停顿时间模型(即:软实时soft real一time)
    (这是 G1 相对于 CMS 的另一大优势,G1除了追求低停顿外,还能建立可预测的停顿时间模型,能让使用者明确指定在一个长度为 M 毫秒的时间片段内,消耗在垃圾收集上的时间不得超过 N 毫秒、可以通过参数-XX:MaxGCPauseMillis进行设置)

  1. 由于分区的原因,G1可以只选取部分区域进行内存回收,这样缩小了回收的范围,因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制
  2. G1 跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的价值大小(回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值),在后台维护一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先回收价值最大的Region。保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
  3. 相比于CMS GC,G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿,但是最差情况要好很多。
    (CMS的最好的情况G1不一定比的上,但是CMS最差的部分,G1可以比上)
  • ⑤. 缺点:
  1. 相较于CMS,G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中,G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用(Footprint)还是程序运行时的额外执行负载(Overload)都要比CMS要高。
  2. 从经验上来说,在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1,而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在6-8GB之间

④. 参数设置

  • ①. -XX:+UseG1GC:手动指定使用G1收集器执行内存回收任务

  • ②. -XX:G1HeapRegionSize:设置每个Region的大小。值是2的幂,范围是1MB到32MB之间,目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000

  • ③. -XX:MaxGCPauseMillis:设置期望达到的最大Gc停顿时间指标(JVM会尽力实现,但不保证达到)。默认值是200ms
    (如果这个值设置很小,如20ms,那么它收集的region会少,这样长时间后,堆内存会满。产生FullGC,FullGC会出现STW,反而影响用户体验)

  • ④. -XX:ParallelGCThread:设置stw时GC线程数的值。最多设置为8(垃圾回收线程)

  • ⑤. -XX:ConcGCThreads:设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数(ParallelGCThreads)的1/4左右

  • ⑥. -XX:Ini tiatingHeapOccupancyPercent:设置触发并发GC周期的Java堆占用率阈值。超过此值,就触发GC。默认值是45

⑤. 调优操作步骤

  • ①. G1的设计原则就是简化JVM性能调优,开发人员只需要简单的三步即可完成调优：
  1. 开启G1垃圾收集器
  2. 设置堆的最大内存
  3. 设置最大的停顿时间
  • ②. G1中提供了三种垃圾回收模式：YoungGC、Mixed GC和Full GC,在不同的条件下被触发

⑥. Region详解

  • ①. 使用G1收集器时,它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块,每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定,整体被控制在1MB到32MB之间,且为2的N次幂,即1MB, 2MB, 4MB, 8MB, 1 6MB, 32MB。可以通过-XX:G1Hea pRegionSize设定。所有的Region大小相同,且在JVM生命周期内不会被改变

  • ②. 一个region 有可能属于Eden, Survivor 或者0ld/Tenured 内存区域。但是一个region只可能属于一个角色。图中的E表示该region属于Eden内存区域,s表示属于Survivor内存区域,0表示属于0ld内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间

  • ③. 垃圾收集器还增加了一种新的内存区域,叫做Humongous内存区域,如图中的H块。主要用于存储大对象,如果超过1. 5个region,就放到H
    (对于堆中的大对象,默认直接会被分配到老年代,但是如果它是一个短期存在的大对象,就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题,G1划分了一个Humongous区,它用来专门存放大对象。如果一个H区装不下一个大对象,那么G1会寻找连续的H区来存储。为了能找到连续的H区,有时候不得不启动Full GC。G1的大多数行为都把H区作为老年代的一部分来看待)

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⑦. 记忆集与写屏障

  • ①. 问题:一个Region不可能是孤立的,一个Region中的对象可能被其他对象引用,如新生代中引用了老年代,这个时候垃圾回收时,会去扫描老年代,会出现STW

  • ②. 解决:无论是G1还是分带收集器,JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描。每个Region都有一个对应的Remembered Set；[下面过程需要掌握]

  1. 每次Reference类型数据写操作时,都会产生一个Write Barrier暂时
  2. 然后检查将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 (其他收集器:检查老年代对象是否引用了新生代对象)
  3. 如果不同,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Remembered Set中；
  4. 当进行垃圾收集时,在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set；就可以保证不进行全局扫描,也不会有遗漏
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⑧. G1回收器垃圾回收过程

  • ①. G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：
  1. 年轻代GC (Young GC)
  2. 老年代并发标记过程 (Concurrent Marking)
  3. 混合回收(Mixed GC)
  4. 顺时针,young gc -> young gc + concurrent mark-> Mixed GC顺序,进行垃圾回收。
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  • ②. 应用程序分配内存,当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程；G1的年轻代收集阶段是一个并行(多个垃圾线程)的独占式收集器。在年轻代回收期,G1 GC暂停所有应用程序线程,启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间,也有可能是两个区间都会涉及

  • ③. 当堆内存使用达到一定值(默认45%)时,开始老年代并发标记过程

  • ④. 标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期,G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间,这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同,老年代的G1回收器和其他GC不同,G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收,一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了。同时,这个老年代Region是和年轻代一起被回收的。

  • ⑤. 举个例子：一个Web服务器,Java进程最大堆内存为4G,每分钟响应1500个请求,每45秒钟会新分配大约2G的内存。G1会每45秒钟进行一次年轻代回收,每31个小时整个堆的使用率会达到45%,会开始老年代并发标记过程,标记完成后开始四到五次的混合回收

①. 年轻代GC

回收时机
(1). 当Eden空间耗尽时,G1会启动一次年轻代垃圾回收过程
(2). 年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区
(3). 回收前:
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(4). 回收后:
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  • ①. 根扫描: 一定要考虑remembered Set,看是否有老年代中的对象引用了新生代对象
    (根是指static变量指向的对象,正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口)

  • ②.更新RSet:处理dirty card queue(见备注)中的card,更新RSet。 此阶段完成后,RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用
    (dirty card queue: 对于应用程序的引用赋值语句object.field=object,JVM会在之前和之后执行特殊的操作以在dirty card queue中入队一个保存了对象引用信息的card。在年轻代回收的时候,G1会对Dirty CardQueue中所有的card进行处理,以更新RSet,保证RSet实时准确的反映引用关系。那为什么不在引用赋值语句处直接更新RSet呢？这是为了性能的需要,RSet的处理需要线程同步,开销会很大,使用队列性能会好很多)

  • ③. 处理RSet:识别被老年代对象指向的Eden中的对象,这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象

  • ④. 复制对象:复制算法
    (此阶段,对象树被遍历,Eden区 内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段,Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值,年龄会加1,达到阀值会被会被复制到01d区中空的内存分段。如果Survivor空间不够,Eden空间的 部分数据会直接晋升到老年代空间)

  • ⑤. 处理引用:处理Soft,Weak, Phantom, Final, JNI Weak等引用。最终Eden空间的数据为空,GC停止工作,而目标内存中的对象都是连续存储的,没有碎片,所以复制过程可以达到内存整理的效果,减少碎片

②. 并发标记过程

  • ①. 初始标记阶段:标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW的,并且会触发一次年轻代GC

  • ②. 根区域扫描(Root Region Scanning):G1 GC扫描Survivor区直接可达的老年代区域对象,并标记被引用的对象。这一过程必须在young GC之前完成(YoungGC时,会动Survivor区,所以这一过程必须在young GC之前完成)

  • ③. 并发标记(Concurrent Marking): 在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行),此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段,若发现区域对象中的所有对象都是垃圾,那这个区域会被立即回收。同时,并发标记过程中,会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

  • ④. 再次标记(Remark):由于应用程序持续进行,需要修正上一次的标记结果。是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot一at一the一beginning (SATB)
    (在CMS中有详细讲解)

  • ⑤. 独占清理(cleanup,STW):计算各个区域的存活对象和GC回收比例,并进行排序,识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是STW的。(这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集)

  • ⑥. 并发清理阶段:识别并清理完全空闲的区域

③. 混合回收 Mixed GC

  • ①. Mixed GC并不是FullGC,老年代的堆占有率达到参数(-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)设定的值则触发,回收所有的Young和部分Old(根据期望的GC停顿时间确定old区垃圾收集的优先顺序)以及大对象区,正常情况G1的垃圾收集是先做MixedGC,主要使用复制算法,需要把各个region中存活的对象拷贝到别的region里去,拷贝过程中如果发现没有足够的空region能够承载拷贝对象就会触发一次Full GC

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④. Full GC

  • ①. 堆内存过小,当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用,则会回退到full gc,这种情况可以通过增大内存解决

  • ②. 暂停时间-XX:MaxGCPauseMillis设置短,回收频繁。由于用户线程和GC线程一起执行,可能用户线程产生的垃圾大于GC线程回收的垃圾,会导致内存不足,触发Full gc

⑨. 优化建议

  • ①. 年轻代发送GC频率高,避免使用-Xmn或-XX:NewRatio,让JVM自己设置

  • ②. 暂停时间目标不要太过严苛

以上是关于JVM19_G1垃圾收集器概述特点常用参数Region详解记忆集与写屏障年轻代GC并发标记过程Mixed GCFull GC的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

JVM垃圾回收器总结——G1垃圾收集器

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