G1 垃圾收集器介紹

時間 2019-12-09

標籤 g1 垃圾收集介紹简体版

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以前根據 Sun 的內存管理白皮書介紹了在 HotSpot JVM 分代算法中的幾個垃圾收集器，本文將介紹 G1 垃圾收集器。算法

G1 的主要關注點在於達到可控的停頓時間，在這個基礎上儘量提升吞吐量，這一點很是重要。數據結構

G1 被設計用來長期取代 CMS 收集器，和 CMS 相同的地方在於，它們都屬於併發收集器，在大部分的收集階段都不須要掛起應用程序。區別在於，G1 沒有 CMS 的碎片化問題（或者說不那麼嚴重），同時提供了更加可控的停頓時間。併發

若是你的應用使用了較大的堆（如 6GB 及以上）並且還要求有較低的垃圾收集停頓時間（如 0.5 秒），那麼 G1 是你絕佳的選擇，是時候放棄 CMS 了。spa

閱讀建議：本文力求用簡單的話介紹清楚 G1 收集器，可是並不會重複介紹每個細節，因此但願讀者瞭解其餘幾個收集器的工做過程，尤爲是 CMS 收集器。線程

G1 總覽

首先是內存劃分上，以前介紹的分代收集器將整個堆分爲年輕代、老年代和永久代，每一個代的空間是肯定的。設計

而 G1 將整個堆劃分爲一個個大小相等的小塊（每一塊稱爲一個 region），每一塊的內存是連續的。和分代算法同樣，G1 中每一個塊也會充當 Eden、Survivor、Old 三種角色，可是它們不是固定的，這使得內存使用更加地靈活。

執行垃圾收集時，和 CMS 同樣，G1 收集線程在標記階段和應用程序線程併發執行，標記結束後，G1 也就知道哪些區塊基本上是垃圾，存活對象極少，G1 會先從這些區塊下手，由於從這些區塊能很快釋放獲得很大的可用空間，這也是爲何 G1 被取名爲 Garbage-First 的緣由。
在 G1 中，目標停頓時間很是很是重要，用 -XX:MaxGCPauseMillis=200 指按期望的停頓時間。對象

G1 使用了停頓預測模型來知足用戶指定的停頓時間目標，並基於目標來選擇進行垃圾回收的區塊數量。G1 採用增量回收的方式，每次回收一些區塊，而不是整堆回收。圖片

咱們要知道 G1 不是一個實時收集器，它會盡力知足咱們的停頓時間要求，但也不是絕對的，它基於以前垃圾收集的數據統計，估計出在用戶指定的停頓時間內能收集多少個區塊。內存

注意：G1 有和應用程序一塊兒運行的併發階段，也有 stop-the-world 的並行階段。可是，Full GC 的時候仍是單線程運行的，因此咱們應該儘可能避免發生 Full GC，後面咱們也會介紹何時會觸發 Full GC。工作流

G1 內存佔用

注：這裏不那麼重要。

G1 比 ParallelOld 和 CMS 會須要更多的內存消耗，那是由於有部份內存消耗於簿記（accounting）上，如如下兩個數據結構：

Remembered Sets：每一個區塊都有一個 RSet，用於記錄進入該區塊的對象引用（如區塊 A 中的對象引用了區塊 B，區塊 B 的 Rset 須要記錄這個信息），它用於實現收集過程的並行化以及使得區塊能進行獨立收集。整體上 Remembered Sets 消耗的內存小於 5%。
Collection Sets：將要被回收的區塊集合。GC 時，在這些區塊中的對象會被複制到其餘區塊中，整體上 Collection Sets 消耗的內存小於 1%。

G1 工做流程

前面囉裏囉嗦說了挺多的，惟一要記住的就是，G1 的設計目標就是盡力知足咱們的目標停頓時間上的要求。

本節介紹 G1 的收集過程，G1 收集器主要包括瞭如下 4 種操做：

一、年輕代收集
二、併發收集，和應用線程同時執行
三、混合式垃圾收集
*、必要時的 Full GC
接下來，咱們進行一一介紹。

年輕代收集

首先，咱們來看下 G1 的堆結構：

年輕代中的垃圾收集流程（Young GC）：

咱們能夠看到，年輕代收集概念上和以前介紹的其餘分代收集器大差不差的，可是它的年輕代會動態調整。

Old GC / 併發標記週期

接下來是 Old GC 的流程（含 Young GC 階段），其實把 Old GC 理解爲併發週期是比較合理的，不要單純地認爲是清理老年代的區塊，由於這一步和年輕代收集也是相關的。下面咱們介紹主要流程：

1.初始標記：stop-the-world，它伴隨着一次普通的 Young GC 發生，而後對 Survivor 區（root region）進行標記，由於該區可能存在對老年代的引用。

由於 Young GC 是須要 stop-the-world 的，因此併發週期直接重用這個階段，雖然會增長 CPU 開銷，可是停頓時間只是增長了一小部分。

2.掃描根引用區：掃描 Survivor 到老年代的引用，該階段必須在下一次 Young GC 發生前結束。

這個階段不能發生年輕代收集，若是中途 Eden 區真的滿了，也要等待這個階段結束才能進行 Young GC。

3.併發標記：尋找整個堆的存活對象，該階段能夠被 Young GC 中斷。

這個階段是併發執行的，中間能夠發生屢次 Young GC，Young GC 會中斷標記過程

4.從新標記：stop-the-world，完成最後的存活對象標記。使用了比 CMS 收集器更加高效的 snapshot-at-the-beginning (SATB) 算法。

Oracle 的資料顯示，這個階段會回收徹底空閒的區塊

5.清理：清理階段真正回收的內存不多。
到這裏，G1 的一個併發週期就算結束了，其實就是主要完成了垃圾定位的工做，定位出了哪些分區是垃圾最多的。

混合垃圾回收週期

併發週期結束後是混合垃圾回收週期，不只進行年輕代垃圾收集，並且回收以前標記出來的老年代的垃圾最多的部分區塊。

混合垃圾回收週期會持續進行，直到幾乎全部的被標記出來的分區（垃圾佔比大的分區）都獲得回收，而後恢復到常規的年輕代垃圾收集，最終再次啓動併發週期。

Full GC

到這裏咱們已經說了年輕代收集、併發週期、混合回收週期了，你們要熟悉這幾個階段的工做。

下面咱們來介紹特殊狀況，那就是會致使 Full GC 的狀況，也是咱們須要極力避免的：

1.concurrent mode failure：併發模式失敗，CMS 收集器也有一樣的概念。G1 併發標記期間，若是在標記結束前，老年代被填滿，G1 會放棄標記。

這個時候說明堆須要增長了，或者須要調整併發週期，如增長併發標記的線程數量，讓併發標記儘快結束或者就是更早地進行併發週期，默認是整堆內存的 45% 被佔用就開始進行併發週期。

2.晉升失敗：併發週期結束後，是混合垃圾回收週期，伴隨着年輕代垃圾收集，進行清理老年代空間，若是這個時候清理的速度小於消耗的速度，致使老年代不夠用，那麼會發生晉升失敗。

說明混合垃圾回收須要更迅速完成垃圾收集，也就是說在混合回收階段，每次年輕代的收集應該處理更多的老年代已標記區塊。

3.疏散失敗：年輕代垃圾收集的時候，若是 Survivor 和 Old 區沒有足夠的空間容納全部的存活對象。這種狀況確定是很是致命的，由於基本上已經沒有多少空間能夠用了，這個時候會觸發 Full GC 也是很合理的。

最簡單的就是增長堆大小

4.大對象分配失敗，咱們應該儘量地不建立大對象，尤爲是大於一個區塊大小的那種對象。

簡單小結

看完上面的 Young GC 和 Old GC 等，不少讀者可能仍是很懵的，這裏說幾句不嚴謹的白話文幫助讀者進行理解：

首先，最好不要把上面的 Old GC 當作是一次 GC 來看，而應該當作併發標記週期來理解，雖然它確實會釋放出一些內存。

併發標記結束後，G1 也就知道了哪些區塊是最適合被回收的，那些徹底空閒的區塊會在這這個階段被回收。若是這個階段釋放了足夠的內存出來，其實也就能夠認爲結束了一次 GC。

咱們假設併發標記結束了，那麼下次 GC 的時候，仍是會先回收年輕代，若是從年輕代中獲得了足夠的內存，那麼結束；過了幾回後，年輕代垃圾收集不能知足須要了，那麼就須要利用以前併發標記的結果，選擇一些活躍度最低的老年代區塊進行回收。直到最後，老年代會進入下一個併發週期。

那麼何時會啓動併發標記週期呢？這個是經過參數控制的，下面立刻要介紹這個參數了，此參數默認值是 45，也就是說當堆空間使用了 45% 後，G1 就會進入併發標記週期。

G1 參數配置和最佳實踐

G1 調優的目標是儘可能避免出現 Full GC，其實就是給老年代足夠的空間，或相對更多的空間。

有如下幾點咱們能夠進行調整的方向：

增長堆大小，或調整老年代和年輕代的比例，這個很好理解
增長併發週期的線程數量，其實就是爲了加快併發週期快點結束
讓併發週期儘早開始，這個是經過設置堆使用佔比來調整的（默認 45%）
在混合垃圾回收週期中回收更多的老年代區塊
G1 的很重要的目標是達到可控的停頓時間，因此不少的行爲都以這個目標爲出發點開展的。

咱們經過設置 -XX:MaxGCPauseMillis=N 來指定停頓時間（單位 ms，默認 200ms），若是沒有達到這個目標，G1 會經過各類方式來補救：調全年輕代和老年代的比例，調整堆大小，調整晉升的年齡閾值，調整混合垃圾回收週期中處理的老年代的區塊數量等等。

固然了，調整每一個參數知足了一個條件的同時每每也會引入另外一個問題，好比爲了下降停頓時間，咱們能夠減少年輕代的大小，但是這樣的話就會增長年輕代垃圾收集的頻率。若是咱們減小混合垃圾回收週期處理的老年代區塊數量，雖然能夠更容易知足停頓時間要求，但是這樣就會增長 Full GC 的風險等等。

下面介紹最經常使用也是最基礎的一些參數的設置，涉及到更高級的調優參數設置，請讀者自行參閱其餘資料。

參數介紹：

-XX:+UseG1GC 使用 G1 收集器

-XX:MaxGCPauseMillis=200 指定目標停頓時間，默認值 200 毫秒。