G1垃圾回收器

垃圾回收器的發展歷程

背景

0一、G1解決的問題

G1垃圾回收器是04年正式提出，12開始正式支持，在17年做爲JDK9默認的垃圾處理器。

在04年的時候，java程序堆的內存愈來愈大，從而致使程序中可存活的活對象愈來愈多，所以GC的STW時間愈來愈長。這是G1要解決的主要問題：STW帶來的停頓時間太長了。

CMS在此以前效率也很高，但活對象數量一多，STW時間也很長。並且CMS沒法解決內存碎片化的問題。

G1還解決的問題是：CMS在GC後，沒法compact內存。

0二、G1達成的目標

（1）減小因爲STW而帶來的程序延遲時間，作到僞實時、低延時、可設定目標；
可設定目標是指可以設置GC最大STW停頓的時間，G1會盡可能達成目的，但不必定達成。

-XX:MaxGCPauseMillis=N

默認狀況下是250毫秒

（2）解決CMS在GC後，沒法壓縮程序內存的問題；

（3）在JDK9以後，默認的垃圾處理器就是G1；它適用於堆內存較大的狀況下（>4~6G）；

G1垃圾回收器

1、G1內存佈局

G1再也不遵循以前的堆中對象的分代排列，而是將堆分紅若干個等大的區域。

而是變成：

默認是分紅2048個區域，-XX:G1HeapRegionSize=N 2048

Humongous：當你分配的一個對象超過一半區域的大小時，這個對象就會被放入這個區域。這個區域屬於老年代區域。

2、G1的介紹

G1垃圾回收器再也不回收整個堆，而是選擇一個Collection Set（CS）。並且每次GC時，會估計每一個Region中的垃圾比例，優先回收垃圾多的Region。這就爲何被叫作Garbage First算法。這也是爲何G1能夠控制STW停頓時間的緣由。
G1含有三種GC算法：

• Full young GC：年輕代GC算法：STW、Parallel、Copying
• 老年代GC算法：Mostly-concurrent marking、Incremental compaction
• Mixed GC：混合GC

3、G1引來的問題

問題描述

G1將年輕代、老年代區域劃分爲許多個小區域，增長在GC判斷對象是否爲垃圾的難度。好比：

• 老年代對象可能持有年代代的引用（跨代引用）
• 不一樣的Region間的互相引用
  

假設在Full young GC時，某個年輕代Region對象可能被老年代的某個對象引用，那麼我在回收這個年輕代Region時，怎麼知道這裏面的對象是否被其餘Region、老年代引用呢？

問題解決

Remembered Set、Card Table

一、CardTable
每一個Region中分爲不少區域，每一個區域咱們成爲CardTable，對應的就是上述藍色區域；每一個CardTable有多個entry組成。當對應的內存空間發生改變時，就會標記爲dirty。

二、RememberedSet
當Region1的CardTable引用Region2的CardTable時，Region2的RememberedSet就會記錄對應CardTable中的entry，能夠根據其找到對應的內存區域。

三、解析
當某個內存對應進行賦值是，就是對象的set方法，咱們能夠在這種方法上添加dirty的描述。
這其實就是典型的時間換空間的作法：用額外的空間維護引用信息，這就是佔用5~10%的過多內存佔用。

解決方法的實現

一、Write Barrier介紹
Write barrier是一種向JVM注入的一小段代碼，用於記錄指針變化。好比說object.field = <reference>。

在JVM開始更新指針時，就通過如下幾步：

• 標記Card爲Dirty
• 將Card存入Dirty Card Queue隊列中

這裏有一個問題：爲何要放在隊列裏，而不是直接去更新RememberedSet呢？
這是由於JVM運行可能會有多個線程並行的修改RememberedSet，這樣就須要花費額外的時間來解決多線程同步問題。而這種更新引用是頻繁的，因此這種額外時間是沒法忍受的。

二、Dirty Card Queue
這個隊列有白、綠、黃、紅四個顏色，表示應用線程往這個隊列聽任務的狀態。

• White
  表示沒有應用線程往隊列裏聽任務，什麼事都不用幹。

• Green
  此時Refinement線程開始被激活，開始更新RS。-XX:G1ConcRefinementGreenZone=N

• Yellow
  此時所有的Refinement線程都被激活，來更新RS。-XX:G1ConcRefinementYellowZone=N

• Red
  這個時候，應用線程也開始參與排空隊列的工做。-XX:G1ConcRefinementRedZone=N

4、GC算法的過程

一、Fully young GC

GC的過程

（1）STW
此時會暫停全部堆中的對象，將部分Region拷貝到指定區域。

（2）構建Collection Set
fully young GC就是選取全部的Eden和Survivor。

（3）掃描GC Roots

（4）更新RememberedSet
排空Dirty Card Queue

（5）Process RS
根據RS找到要GC的對象被哪些對象引用了。

（6）對象拷貝
survivor區域對象的調整。

（7）Reference Processing

額外會作的事

G1記錄每一個階段的時間，用於後期自動調優。好比說會記錄Eden、Survivor的數量和GC時間，後期會根據咱們以前設定的暫停目標來自動調整Region數量。
可是咱們設置暫停目標越短，年輕代的Region數量就越少。但這可能會致使Fully young GC頻繁發生。

二、Old GC

當堆用量達到必定程度時，就會觸發old GC。能夠經過如下參數進行設置：

-XX:InitatingHeapOccpancyPercent=45

old GC有一個很大特色就是併發進行的。但它是如何在堆中不斷變化的狀況下，肯定哪些是要清理的垃圾對象呢？

三色標記算法

這種算法實現了在不暫停應用線程的狀況下進行併發標記，標記過程過以下：
（1）將GC Root對象記錄爲黑色，其直接引用對象記錄爲灰色，並將這些灰色對象放入一個隊列中

（2）從隊列取出對象，將其標爲黑色，將其引用對象記錄爲灰色，再放入隊列中

（3）直到隊列中無對象爲止

三色標記算法的缺點：Lost Object Problem

三色標記算法並無徹底將全部的活對象都標記出來，這就是Lost Object Problem問題。好比說：
（1）剛開始時

（2）在即將描述將C標爲灰色的一剎那

此時，C依然是活對象，可是已經沒法將其標記了。

（3）結果

Lost Object Problem的解決

這種解決辦法仍是經過Write barrier技術來解決。當B.c=null，也就是C指針被刪除時，G1仍是被認爲活對象。

那若是C是新生對象呢？這是老年代GC

Old GC過程

（1）STW
老年代GC會在這個時候，進行一次Fully young GC

（2）恢復應用線程

（3）使用三色標記算法併發標記（init marking）

（4）STW

這時候會有一個Remark階段，主要是解決SATB、Reference processing
還會有一個Cleanup階段，用於回收全爲空的區

（5）恢復應用線程

三、Mixed GC

咱們直到CMS最大的缺點就是沒法進行壓縮操做，而G1就經過Mixed GC解決了這個問題。

Mixed GC沒有固定觸發條件，他是根據Fully young GC收集的信息和咱們配置的時間來決定，是否觸發Mixed GC。它會根據暫停目標，來優先選擇垃圾最多的Old Region來執行。

Mixed GC會選擇若干個Region進行，默認是選擇1/8的Old Region、Eden Region、Survivor Region。

Mixed GC的過程跟Fully young GC的過程相同，都是：STW、Parallel、Copying。

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