17_2_垃圾收集器_简介G1回收器：区域化分代式

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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17_2_垃圾收集器_简介G1回收器：区域化分代式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

简介G1回收器

1、什么是G1垃圾收集器

  1. G1是区域化的分代式垃圾收集器，为需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案。
  2. G1主要是面向服务端应用，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。
  3. 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。

2、为什么名字叫Garbage First呢？

  1. 因为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）（物理上不连续的）。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等。
  2. G1 GC有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。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。
  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）。

3、G1垃圾收集器的优点、缺点

  1. 并行与并发

    • 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
    • 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（分代分区）

    • 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。
    • 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。
    • 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；

  3. 空间整合

    • CMS：“标记-清除”算法、可通过参数设置GC后（一次或若干次）进行内存碎片整理
    • 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-压缩（Mark-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-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)

    • 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。
    • 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。
    • 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。

  5. 缺点

    • 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。
    • 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:InitiatingHeapOccupancyPercent：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、G1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：
    • 第一步：开启G1垃圾收集器
    • 第二步：设置堆的最大内存
    • 第三步：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、分区 Region（掌握）

  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:G1HeapRegionSize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Old/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,O表示属于Old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0. 5个region,就放到H。

  4. 设置H区（Humongous）的原因
    作用：解决短期生存的大对象如何分配的问题。

    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。

7、记忆集与写屏障（一个对象被不同区域引用的问题）

  1. 一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确？（其它收集器中：回收新生代也不得不同时扫描老年代？这样的话会降低Minor GC的效率）

  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。过程如下：

    • 无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set来避免全堆扫描；
    • 每个Region都有一个对应的Remembered Set
    • 每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier（写屏障）暂时中断操作；
    • 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）；
    • 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；
    • 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。

    在回收 Region 时，为了不进行全堆的扫描，引入了 Remembered Set。
    Remembered Set 记录了当前 Region 中的对象被哪个对象引用了。
    在进行 Region 复制时，就不要扫描整个堆，只需要去 Remembered Set 里面找到引用了当前 Region 的对象。
    Region 复制完毕后，修改 Remembered Set 中对象的引用即可。

8、G1回收过程

  1. G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节（123）：

    • 年轻代GC (Young GC)
    • 老年代并发标记过程 (Concurrent Marking)
    • 混合回收(Mixed GC)
    • （如果需要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是继续存在的。它针对GC的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。）
    • 顺时针,young gc -> young gc + concurrent mark-> Mixed GC顺序,进行垃圾回收。

  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。

8.1、年轻代

回收过程
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

4、回收后

  1. 扫描根
    根是指GC Roots，根引用连同RSet（Remembered Set）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 Card Queue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O1d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

8.2、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-at-the-beginning (SATB)
    （原因：并发标记不准确，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

8.3、混合回收

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。

8.4、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. 年轻代大小
    • 避免使用 -Xmn 或者 -XX:NewRatio等相关选项显式设置年轻代大小
    • 固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。
  2. 暂停时间目标不要太过严苛（暂停时间和吞吐量是此消彼长的）
    • G1 GC的吞吐量目标是 90% 的应用程序时间和 10% 的垃圾回收时间
    • 评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，会直接影响吞吐量。

以上是关于17_2_垃圾收集器_简介G1回收器：区域化分代式的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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