JVM從入門到入土之詳解G1垃圾回收器

時間 2020-04-16

標籤 jvm 入門入土詳解 g1 垃圾回收欄目 Java 简体版

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前言

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絮叨

Garbage First(G1)是垃圾收集領域的最新成果，同時也是HotSpot在JVM上力推的垃圾收集器，並賦予取代CMS的使命。若是使用Java 8/9，那麼有很大可能但願對G1收集器進行評估。本文詳細首先對JVM其餘的垃圾收集器進行總結，並與G1進行了簡單的對比；而後經過G1的內存模型、G1的活動週期，對G1的工做機制進行了介紹；同時還在介紹過程當中，描述了可能須要引發注意的優化點。博主但願經過本文，讓有必定JVM基礎的讀者能儘快掌握G1的知識點。github

JVM GC收集器的回顧與比較

到JDK1.8爲止的垃圾回收器圖以下web

其實他們的一個迭代的過程是隨着技術的演化進行的算法

串行收集器組合 Serial + Serial Old

開啓選項：-XX:+SerialGC安全

串行收集器是最基本、發展時間最長、久經考驗的垃圾收集器，也是client模式下的默認收集器配置。服務器

串行收集器採用單線程stop-the-world的方式進行收集。當內存不足時，串行GC設置停頓標識，待全部線程都進入安全點(Safepoint)時，應用線程暫停，串行GC開始工做，採用單線程方式回收空間並整理內存。單線程也意味着複雜度更低、佔用內存更少，但同時也意味着不能有效利用多核優點。事實上，串行收集器特別適合堆內存不高、單核甚至雙核CPU的場合。多線程

並行收集器組合 Parallel Scavenge + Parallel Old

開啓選項：-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseParallelOldGC(可互相激活)併發

並行收集器是以關注吞吐量爲目標的垃圾收集器，也是server模式下的默認收集器配置，對吞吐量的關注主要體如今年輕代Parallel Scavenge收集器上。編輯器

並行收集器與串行收集器工做模式類似，都是stop-the-world方式，只是暫停時並行地進行垃圾收集。年輕代採用複製算法，老年代採用標記-整理，在回收的同時還會對內存進行壓縮。關注吞吐量主要指年輕代的Parallel Scavenge收集器，經過兩個目標參數-XX:MaxGCPauseMills和-XX:GCTimeRatio，調整新生代空間大小，來下降GC觸發的頻率。並行收集器適合對吞吐量要求遠遠高於延遲要求的場景，而且在知足最差延時的狀況下，並行收集器將提供最佳的吞吐量。學習

併發標記清除收集器組合 ParNew + CMS + Serial Old

開啓選項：-XX:+UseConcMarkSweepGC

併發標記清除(CMS)是以關注延遲爲目標、十分優秀的垃圾回收算法，開啓後，年輕代使用STW式的並行收集，老年代回收採用CMS進行垃圾回收，對延遲的關注也主要體如今老年代CMS上。

年輕代ParNew與並行收集器相似，而老年代CMS每一個收集週期都要經歷：初始標記、併發標記、從新標記、併發清除。其中，初始標記以STW的方式標記全部的根對象；併發標記則同應用線程一塊兒並行，標記出根對象的可達路徑；在進行垃圾回收前，CMS再以一個STW進行從新標記，標記那些由mutator線程(指引發數據變化的線程，即應用線程)修改而可能錯過的可達對象；最後獲得的不可達對象將在併發清除階段進行回收。值得注意的是，初始標記和從新標記都已優化爲多線程執行。CMS很是適合堆內存大、CPU核數多的服務器端應用，也是G1出現以前大型應用的首選收集器。

可是CMS並不完美，它有如下缺點：

因爲併發進行，CMS在收集與應用線程會同時會增長對堆內存的佔用，也就是說，CMS必需要在老年代堆內存用盡以前完成垃圾回收，不然CMS回收失敗時，將觸發擔保機制，串行老年代收集器將會以STW的方式進行一次GC，從而形成較大停頓時間；
標記清除算法沒法整理空間碎片，老年代空間會隨着應用時長被逐步耗盡，最後將不得不經過擔保機制對堆內存進行壓縮。CMS也提供了參數-XX:CMSFullGCsBeForeCompaction(默認0，即每次都進行內存整理)來指定多少次CMS收集以後，進行一次壓縮的Full GC。

Garbage First (G1)

開啓選項：-XX:+UseG1GC

以前介紹的幾組垃圾收集器組合，都有幾個共同點：

年輕代、老年代是獨立且連續的內存塊；
年輕代收集使用單eden、雙survivor進行復制算法；
老年代收集必須掃描整個老年代區域；
都是以儘量少而快地執行GC爲設計原則。

G1垃圾收集器也是以關注延遲爲目標、服務器端應用的垃圾收集器，被HotSpot團隊寄予取代CMS的使命，也是一個很是具備調優潛力的垃圾收集器。雖然G1也有相似CMS的收集動做：初始標記、併發標記、從新標記、清除、轉移回收，而且也以一個串行收集器作擔保機制，但單純地以相似前三種的過程描述顯得並非很穩當。事實上，G1收集與以上三組收集器有很大不一樣：

G1的設計原則是"首先收集儘量多的垃圾(Garbage - First)"。所以，G1並不會等內存耗盡(串行、並行)或者快耗盡(CMS)的時候開始垃圾收集，而是在內部- 採用了啓發式算法，在老年代找出具備高收集收益的分區進行收集。同時G1能夠根據用戶設置的暫停時- 間目標自動調全年輕代和總堆大小，暫停目標越短年輕代空間越小、總空間就越大；
G1採用內存分區(Region)的思路，將內存劃分爲一個個相等大小的內存分區，回收時則以分區爲單位進- 行回收，存活的對象複製到另外一個空閒分區中。因爲都是以相等大小的分區爲單位進行操做，所以G1天- 然就是一種壓縮方案(局部壓縮)；
G1雖然也是分代收集器，但整個內存分區不存在物理上的年輕代與老年代的區別，也不須要徹底獨立的- survivor(to space)堆作複製準備。G1只有邏輯上的分代概念，或者說每一個分區均可能隨G1的運行在不- 同代之間先後切換；
G1的收集都是STW的，但年輕代和老年代的收集界限比較模糊，採用了混合(mixed)收集的方式。即每次- 收集既可能只收集年輕代分區(年輕代收集)，也可能在收集年輕代的同時，包含部分老年代分區(混合- 收集)，這樣即便堆內存很大時，也能夠限制收集範圍，從而下降停頓

G1的內存模型

分區概念

以下圖所示：

分區

分區 Region

G1採用了分區(Region)的思路，將整個堆空間分紅若干個大小相等的內存區域，每次分配對象空間將逐段地使用內存。所以，在堆的使用上，G1並不要求對象的存儲必定是物理上連續的，只要邏輯上連續便可；每一個分區也不會肯定地爲某個代服務，能夠按需在年輕代和老年代之間切換。啓動時能夠經過參數-XX:G1HeapRegionSize=n可指定分區大小(1MB~32MB，且必須是2的冪)，默認將整堆劃分爲2048個分區。

卡片

卡片 Card

在每一個分區內部又被分紅了若干個大小爲512 Byte卡片(Card)，標識堆內存最小可用粒度全部分區的卡片將會記錄在全局卡片表(Global Card Table)中，分配的對象會佔用物理上連續的若干個卡片，當查找對分區內對象的引用時即可經過記錄卡片來查找該引用對象(見RSet)。每次對內存的回收，都是對指定分區的卡片進行處理。

堆

堆 Heap

G1一樣能夠經過-Xms/-Xmx來指定堆空間大小。當發生年輕代收集或混合收集時，經過計算GC與應用的耗費時間比，自動調整堆空間大小。若是GC頻率過高，則經過增長堆尺寸，來減小GC頻率，相應地GC佔用的時間也隨之下降；目標參數-XX:GCTimeRatio即爲GC與應用的耗費時間比，G1默認爲9，而CMS默認爲99，由於CMS的設計原則是耗費在GC上的時間儘量的少。另外，當空間不足，如對象空間分配或轉移失敗時，G1會首先嚐試增長堆空間，若是擴容失敗，則發起擔保的Full GC。Full GC後，堆尺寸計算結果也會調整堆空間。

分代模型

分代

分代 Generation

分代垃圾收集能夠將關注點集中在最近被分配的對象上，而無需整堆掃描，避免長命對象的拷貝，同時獨立收集有助於下降響應時間。雖然分區使得內存分配再也不要求緊湊的內存空間，但G1依然使用了分代的思想。與其餘垃圾收集器相似，G1將內存在邏輯上劃分爲年輕代和老年代，其中年輕代又劃分爲Eden空間和Survivor空間。但年輕代空間並非固定不變的，當現有年輕代分區佔滿時，JVM會分配新的空閒分區加入到年輕代空間。

整個年輕代內存會在初始空間-XX:G1NewSizePercent(默認整堆5%)與最大空間-XX:G1MaxNewSizePercent(默認60%)之間動態變化，且由參數目標暫停時間-XX:MaxGCPauseMillis(默認200ms)、須要擴縮容的大小以及分區的已記憶集合(RSet)計算獲得。固然，G1依然能夠設置固定的年輕代大小(參數-XX:NewRatio、-Xmn)，但同時暫停目標將失去意義。