深刻學習 G1回收器和JVM：混合回收（6）

混合回收能夠總結爲兩個階段：

• 併發標記：

  • 目的是識別老生代分區中的活躍對象，並計算分區中的垃圾對象佔空間的多少，用於垃圾回收過程當中判斷是否回收分區。

• 垃圾回收：

  • 和新生代回收步驟一致，重用了新生代回收的代碼，最大的不一樣就是回收的時候不只僅回收新生代分區，同時回收併發標記中識別的垃圾多的老生代分區。

併發標記算法詳解

併發標記算法是混合回收中最重要的算法。併發標記指的是標記線程和mutator線程併發運行。
併發標記算法設計了4個指針

1. Bottom：底部位置
2. Prev：指向上次併發處理後的地址
3. Next：指向併發標記開始以前內存已經分配成功的地址
4. Top：在併發標記開始後，若是有新的對象分配，能夠移動top指針，使top指針指向當前內存分配成功的地址。

• Next和Top之間就是Mutator線程新增的對象使用的地址。
• 假設Prev以前的對象已經標記成功，在併發標記的時候從根出發，不只僅標記Prev和Next之間的對象，還標記Prev以前的活躍對象。當併發標記結束以後，只需將- Prev指針設置爲Next指針便可開始新一輪的標記處理。

• 併發標記引入兩個位圖：

  • PrevBitMap：記錄Prev指針以前的內存標記情況
  • NextBitMap：表示整個內存到next指針以前的標記狀態

併發標記開始以前：

TAMS指的是Top-at-Mark-Start，併發標記結束後，NextBitMap標記了分區對象的存活狀況。假定位圖中黑色區域表示堆分區中對應的對象還活着，在併發標記的同時Mutator繼續運行，因此Top會繼續增加。

第二次標記開始，將NextBitMap值賦給PrevBitMap，將Next指針位置設置爲Prev，將Top指針位置設置爲Next指針。

併發標記結束狀態

併發標記第二次開始前的狀態

併發標記第二次結束狀態

併發標記算法的難點

主要是GC在標記的時候，mutator線程可能正在改變對象的引用關係圖，從而形成漏標和錯標。

• 錯標：不會影響程序正確性，只是會產生浮動垃圾
• 漏標：可能會致使可達對象被當成垃圾回收掉，從而影響程序的正確性。

三色標記法

三色標記法是一個邏輯上的抽象，將對象分紅三種顏色

• 白色：表示尚未被收集器標記的對象
• 灰色：表示自身已經被標記到，但其擁有的field字段引用到的其餘對象還沒被處理
• 黑色：表示自身已經被標記到，且對象自己全部的field引用到的對象也已經被標記。

對象在併發標記階段會被漏標的充分必要條件是：

1. Mutator插入了一個從黑色對象到該白色對象的新引用，由於黑色對象已經被標記，若是不對黑色對象從新處理，那麼白色對象將會被漏標，形成錯誤。
2. Mutator刪除了從灰色對象到該白色對象的直接或間接引用，由於灰色對象正在標記，字段引用的對象沒有被標記，若是這個引用的白色對象被刪除了（引用發生了變化，那麼這個引用也有可能被漏標）。

要避免漏標，只要打破上面任意一個便可

• 經過增量更新算法關注對象的引用插入，把被更新的黑色活着白色的對象標記爲灰色，打破第一個條件。
• SATB關注引用的刪除，即在對象被複制前，把老的被引用對象記錄下來，而後根據這些對象爲根從新標記一遍，打破第二個條件。

混合回收的步驟

1. 第一階段：併發標記

   1. 初始標記子階段
   2. 併發標記子階段
   3. 再標記子階段
   4. 清理子階段

2. 第二階段：垃圾回收

   1. 初始標記子階段：負責標記全部直接可達的根對象（棧對象，全局對象，JNI對象等），根是對象圖的起點，所以須要將Mutator線程暫停，須要一次STW。
   2. 併發標記子階段：當YGC結束後，若是發現知足併發標記的條件，併發線程就開始併發標記。根據新生代的Survivor分區以及老生代的RSet開始併發標記。併發標記的時機是在YGC後，只有達到InitiatingHeapOccupancyPercent閾值後，纔會觸發併發標記。InitiatingHeapOccupancyPercent默認值是45，表示的是當已經分配的內存加上即將分配的內存超過內存總容量的45%就能夠開始併發標記，併發標記會對全部分區進行標記，且並不須要STW。

   3. 再標記子階段：是最後一個標記階段，須要一個STW，找出全部未被訪問的存活對象，同時完成存活內存數據計算。要結束標記，須要知足三個條件：

      1. 從根（Survivor）出發，併發標記子階段已經追蹤了全部的存活對象。
      2. 標記棧是空的。
      3. 全部的引用變動都被處理了；這裏的引用變動包括新增空間的分配和引用變動，新增的空間全部對象都認爲是活的，引用變動處理SATB。

最後一個階段很難達成，若是不STW，應用會不斷的更新引用，產生新的引用變動，則會永遠沒法結束標記。

1. 清理子階段：須要一個STW，清理子階段主要執行如下操做：

   1. 統計存活對象：這是利用RSet和BitMap完成的，統計的結果將會用來排序分區gion，以用於下一次CSet的選擇；根據SATB算法，須要把新分配的對象，都視爲活躍對象。
   2. 交換標記位圖：爲下次併發準備
   3. 重製RSet：此時老年代分區已經標記完成，若是標記後的分區沒有引用對象，這說明引用已經改變，這個時候能夠刪除原來的RSet裏的引用關係。
   4. 把空閒分區放入分區列表中：這裏的空間指的是全都是垃圾對象的分區，若是分區還有任何分區活躍對象都不會釋放，真正的釋放是在混合GC中。

清理操做不會清理垃圾對象，也不會執行存活對象的拷貝。

1. 混合回收階段的分析：選出若干個分區，將這些分區存活的對象複製到空閒的分區去，同時把這些已經被回收的分區放入空閒分區列表
2. 併發標記的正確性分析：目的是爲了識別老生代分區使用的狀況，在下一次回收的時候優先選擇垃圾比較多的分區進行回收。

GC活動圖

併發標記是依賴於YGC，即併發標記發生前必定有一次YGC。在併發標記結束以後，會更新CSetChooser，此時若是在發生GC，則判斷是否可以進行混合GC，混合GC的條件是上次發生的YGC不包含初始標記，而且CSetChooser包含有效的分區。

參數優化

• 參數InitiatingHeapOccupancyPercent（簡稱爲IHOP，默認值爲45，這個值是啓動併發標記的先決條件，只有當老生代內存佔總空間45%以後纔會啓動併發標記任務。增長該值，將致使併發標記可能花費更多的時間，也會致使YGC或者混合GC收集時收集的分區變少，但另外一方面就有可能致使FGC。根據經驗這個值一般根據總體應用佔用的平均內存來設置，能夠把該值設置得比平均內存稍高一些，此時性能最好（即YGC/混合GC比較快，且FGC比較少）。那麼如何獲得應用程序在運行時的內存使用狀況？能夠打開G1PrintHeapRegions觀察內存的分配和使用狀況，另外JVM提供了一個診斷選項G1PrintRegionLivenessInfo，打開該選項，能夠查看到內存的使用狀況。IHOP的設置很是有用，可是設置合理的IHOP並不容易，須要不斷地嘗試。
• 參數G1ReservePercent，默認值爲10，當發現GC晉升失敗致使FGC，能夠增大該值。
• 參數ConcGCThreads爲併發線程數，默認值爲0，若是沒有設置則動態調整；使用ParallelGCThreads（前文介紹過推斷依據）爲依據來推斷。ConcGCThreads=（ParallelGCThreads+2）/4，最小值爲1，若是發現併發標記耗時較多能夠增大該值，注意增大該值會致使Mutator執行的吞吐量變小。
• 參數HeapSizePerGCThread，默認值爲64M，能夠簡單地理解爲每64M分配一個線程。
• 參數UseDynamicNumberOfGCThreads，默認爲false，打開該值表示能夠動態調整線程數；調整的依據會根據最大線程數、HeapSizePerGCThread等肯定。
• 參數ForceDynamicNumberOfGCThreads，默認爲false，打開該值表示能夠動態調整，和UseDynamicNumberOfGCThreads功能相似。
• 參數G1SATBBufferSize，默認值爲1K，表示每一個STAB隊列最多存放1000個灰色對象，注意這裏不是SATBqueueset的大小。
• 參數G1SATBBufferEnqueueingThresholdPercent（默認值是60），表示當一個隊列滿了以後，首先進行過濾處理，過濾後若是使用率超過這個閾值把隊列送入到queueset並新分配一個隊列。
• 參數MarkStackSize和MarkStackSizeMax，在32位JVM中設置爲32k和4M，64位JVM中設置爲4M和512M。若是沒有設置能夠啓發式推斷參數，確保MarkStackSize最小爲32k（或者和併發線程參數ParallelGCThreads正相關，如ParallelGCThreads=8，則32位JVM中MarkStackSize=8×16k=128K，其中16k是隊列的大小），這個參數是併發標記子階段中用到的標記棧的大小。
• 參數GCDrainStackTargetSize，默認值爲64，表示併發標記子階段處理時爲了保證處理的性能，一次標記的最多對象個數。
• 參數G1MixedGCLiveThresholdPercent，默認值85，用於判斷分區可否被加入到CSet中，低於該值將會被加入。
• 參數G1HeapWastePercent，默認值5，即當CSet中可回收空間的佔總空間的比例大於G1HeapWastePercent纔會開始混合收集。
• 參數G1MixedGCCountTarget，默認值爲8，這個參數越大，收集老生代的分區越少，反之收集的分區越多。要保持老生代分區在CSet中的比例超過1/G1MixedGCCountTarget。
• 參數G1OldCSetRegionThresholdPercent，參數默認值是10，即一次最多收集10%的分區。
• 參數G1ConcMarkStepDurationMillis，默認值爲10，表示每一個併發標記子階段每次最多執行10ms。
• 參數G1UseConcMarkReferenceProcessing，默認值爲true，打開表示在併發標記的時候能夠標記引用。
• 在打開引用處理時，每次標記處理引用的對象數由G1RefProcDrainInterval控制，默認值爲10。
• 參數ClassUnloadingWithConcurrentMark，默認值爲true，打開表示在併發標記的時候能夠卸載已經加載的類。