G1 collector 介绍

Posted 2022-09-13 dtmobile-ksw

背景：由于CMS算法产生空间碎片和其它一系列的问题缺陷，HotSpot提供了另外一种垃圾回收策略，G1（也就是Garbage First）算法，该算法在JDK7u4版本被正式推出，官网对此描述如下：

The Garbage-First (G1) collector is a server-style garbage collector, targeted for multi-processor machines with large memories. It meets garbage collection (GC) pause time goals with a high probability, while achieving high throughput. The G1 garbage collector is fully supported in Oracle JDK 7 update 4 and later releases. The G1 collector is designed for applications that:

• Can operate concurrently with applications threads like the CMS collector.
• Compact free space without lengthy GC induced pause times.
• Need more predictable GC pause durations.
• Do not want to sacrifice a lot of throughput performance.
• Do not require a much larger Java heap.

G1 is planned as the long term replacement for the Concurrent Mark-Sweep Collector (CMS). Comparing G1 with CMS, there are differences that make G1 a better solution. One difference is that G1 is a compacting collector. G1 compacts sufficiently to completely avoid the use of fine-grained free lists for allocation, and instead relies on regions. This considerably simplifies parts of the collector, and mostly eliminates potential fragmentation issues. Also, G1 offers more predictable garbage collection pauses than the CMS collector, and allows users to specify desired pause targets.

G1 Collector 是一种server风格的垃圾回收器，针对具有大内存、多cpu的机器。它在满足高吞吐量的同时，又尽可能的实现较低的GC时间，G1 Collector 主要针对以下场景:

1. 像CMS一样，垃圾回收线程和应用线程并发执行
2. 压缩空闲内存，避免GC导致长时间的暂停
3. 能够对GC暂停时间有更好的预测
4. 不希望牺牲太多的吞吐性能
5. 希望可以尽可能的控制堆的大小（G1本身就是针对大堆的，一般认为4-6G以上为大堆，所以这里的大小我个人理解为在此基础上）

对于之前的garbage collectors来说（比如最早的serial、后来的parallel、CMS），它们都将堆划分成了三个部分：新生代，老年代，永久代（元空间）

G1不同，G1算法将堆划分为若干个Region，它仍然是划分代的。并且默认情况下是将堆内存划分2048份，每个region的大小也就是heap size/2048，但是region的大小只能为1M、2M、4M、8M、16M和32M，总之是2的幂次方，一般会生成2000左右个region

1. G1 Heap Structure

 2. G1 Heap Allocation

如上图所示，这些region被定义为eden、survivor、old generation 逻辑上为连续的内存空间。其中eden、survivor、old generation跟以往的GC收集器一样，此外还有一个Humongous区是以往算法所没有的， 如果一个对象占用的空间超过了区域容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象，默认直接会被分配在年老代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，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，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

3. Young Generation in G1

Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。在这种情况下，Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。

4. A Young GC in G1

存活的对象被拷贝到一个或多个survivor region中，如果某些对象的age达到了晋升老年代要求的阀值，就会晋升到老年代。（跟之前的算法差不多），G1 young gc属于stop the world (STW)性质，并且在此期间，eden region的数量和survivor  region的数量会通过新一轮的计算（也就是region的数量是在动态变化的），以适应下一轮的GC更好的达到期望的暂停时间。

5. End of a Young GC with G1

存活的对象被疏散到survivor region中或者old generation region，晋升的对象由下图中暗色部分表示，蓝色的代表Survivor regions

Old Generation Collection with G1

当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，会触发Old Generation Collection（也可称为mixed gc），G1的old gc跟以前算法的old gc不太一样，G1 old gc是在回收整个young region的同时，还会回收一部分的old region，这里需要注意，是一部分old region，而不是全部，G1算法选择部分old region进行回收，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。触发条件：-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阈值时，会触发一次old gc

old gc执行流程：

　　1. initial mark: 整个过程STW，标记了从GC Root可达的对象
　　2. concurrent marking: 并发标记过程，整个过程gc collector线程与应用线程并行执行，找出整个堆中的存活对象
　　3. remark: 整个过程STW，最终标记，使用snapshot-at-the-beginning (SATB)算法(much faster than CMS use)标记出那些在并发标记过程中遗漏的，
　　或者内部引用发生变化的对象
　　4. clean up: 该过程部分是STW处理，部分是并行处理

　　　　1.统计存活对象和完全空闲的region(STW)

　　　　2.清空Remembered Sets(STW)

　　　　3.将空region加入到空闲列表中(并发)

　　5.Copying:整个过程STW，拷贝存活对象到新的region中

 

Full GC

在某些情况下，G1触发了Full GC，这时G1会退化使用Serial收集器来完成垃圾的清理工作，它仅仅使用单线程来完成GC工作，GC暂停时间将达到秒级别的。整个应用处于假死状态，不能处理任何请求，我们的程序当然不希望看到这些。那么发生Full GC的情况有哪些呢？

• 并发模式失败

G1启动标记周期，但在Mix GC之前，老年代就被填满，这时候G1会放弃标记周期。这种情形下，需要增加堆大小，或者调整周期（例如增加线程数-XX:ConcGCThreads等）。

• 晋升失败或者疏散失败

G1在进行GC的时候没有足够的内存供存活对象或晋升对象使用，由此触发了Full GC。可以在日志中看到(to-space exhausted)或者（to-space overflow）。解决这种问题的方式是：

1. 增加 -XX:G1ReservePercent 选项的值（并相应增加总的堆大小），为“目标空间”增加预留内存量。
2. 通过减少 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提前启动标记周期。
3. 也可以通过增加 -XX:ConcGCThreads 选项的值来增加并行标记线程的数目。

• 巨型对象分配失败

当巨型对象找不到合适的空间进行分配时，就会启动Full GC，来释放空间。这种情况下，应该避免分配大量的巨型对象，增加内存或者增大-XX:G1HeapRegionSize，使巨型对象不再是巨型对象。