詳解 JVM Garbage First(G1) 垃圾收集器（轉載）

前言 
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。筆者但願經過本文，讓有必定JVM基礎的讀者能儘快掌握G1的知識點。

第一章 概述

G1(Garbage First)垃圾收集器是當今垃圾回收技術最前沿的成果之一。早在JDK7就已加入JVM的收集器你們庭中，成爲HotSpot重點發展的垃圾回收技術。同優秀的CMS垃圾回收器同樣，G1也是關注最小時延的垃圾回收器，也一樣適合大尺寸堆內存的垃圾收集，官方也推薦使用G1來代替選擇CMS。G1最大的特色是引入分區的思路，弱化了分代的概念，合理利用垃圾收集各個週期的資源，解決了其餘收集器甚至CMS的衆多缺陷。

第二章 JVM GC收集器的回顧與比較

從JDK3(1.3)開始，HotSpot團隊一直努力朝着高效收集、減小停頓(STW: Stop The World)的方向努力，也貢獻了從串行到CMS乃至最新的G1在內的一系列優秀的垃圾收集器。上圖展現了JDK的垃圾回收你們庭，以及相互之間的組合關係，下面就幾種典型的組合應用進行簡單的介紹。

串行收集器

串行收集器組合 Serial + Serial Old

開啓選項：-XX:+SerialGC

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。

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。

並行收集器

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)

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。

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。

併發標記清除收集器

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：

1. 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；
2. 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

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：

1. 年輕代、老年代是獨立且連續的內存塊；
2. 年輕代收集使用單eden、雙survivor進行復制算法；
3. 老年代收集必須掃描整個老年代區域；
4. 都是以儘量少而塊地執行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：

1. 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；
2. 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自然就是一種壓縮方案(局部壓縮)；
3. 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的運行在不一樣代之間先後切換；
4. 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。

第三章 G1的內存模型

分區概念

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。

本地分配緩衝

本地分配緩衝 Local allocation buffer (Lab)

值得注意的是，因爲分區的思想，每一個線程都可以」認領」某個分區用於線程本地的內存分配，而不須要顧及分區是否連續。所以，每一個應用線程和GC線程都會獨立的使用分區，進而減小同步時間，提高GC效率，這個分區稱爲本地分配緩衝區(Lab)。

其中，應用線程能夠獨佔一個本地緩衝區(TLAB)來建立的對象，而大部分都會落入Eden區域(巨型對象或分配失敗除外)，所以TLAB的分區屬於Eden空間；而每次垃圾收集時，每一個GC線程一樣能夠獨佔一個本地緩衝區(GCLAB)用來轉移對象，每次回收會將對象複製到Suvivor空間或老年代空間；對於從Eden/Survivor空間晉升(Promotion)到Survivor/老年代空間的對象，一樣有GC獨佔的本地緩衝區進行操做，該部分稱爲晉升本地緩衝區(PLAB)。

分區模型

G1對內存的使用以分區(Region)爲單位，而對對象的分配則以卡片(Card)爲單位。

巨型對象

巨型對象 Humongous Region

一個大小達到甚至超過度區大小一半的對象稱爲巨型對象(Humongous Object)。當線程爲巨型分配空間時，不能簡單在TLAB進行分配，由於巨型對象的移動成本很高，並且有可能一個分區不能容納巨型對象。所以，巨型對象會直接在老年代分配，所佔用的連續空間稱爲巨型分區(Humongous Region)。G1內部作了一個優化，一旦發現沒有引用指向巨型對象，則可直接在年輕代收集週期中被回收。

巨型對象會獨佔一個、或多個連續分區，其中第一個分區被標記爲開始巨型(StartsHumongous)，相鄰連續分區被標記爲連續巨型(ContinuesHumongous)。因爲沒法享受Lab帶來的優化，而且肯定一片連續的內存空間須要掃描整堆，所以肯定巨型對象開始位置的成本很是高，若是能夠，應用程序應避免生成巨型對象。

已記憶集合

已記憶集合 Remember Set (RSet)

在串行和並行收集器中，GC經過整堆掃描，來肯定對象是否處於可達路徑中。然而G1爲了不STW式的整堆掃描，在每一個分區記錄了一個已記憶集合(RSet)，內部相似一個反向指針，記錄引用分區內對象的卡片索引。當要回收該分區時，經過掃描分區的RSet，來肯定引用本分區內的對象是否存活，進而肯定本分區內的對象存活狀況。

事實上，並不是全部的引用都須要記錄在RSet中，若是一個分區肯定須要掃描，那麼無需RSet也能夠無遺漏的獲得引用關係。那麼引用源自本分區的對象，固然不用落入RSet中；同時，G1 GC每次都會對年輕代進行總體收集，所以引用源自年輕代的對象，也不須要在RSet中記錄。最後只有老年代的分區可能會有RSet記錄，這些分區稱爲擁有RSet分區(an RSet’s owning region)。

Per Region Table

Per Region Table (PRT)

RSet在內部使用Per Region Table(PRT)記錄分區的引用狀況。因爲RSet的記錄要佔用分區的空間，若是一個分區很是」受歡迎」，那麼RSet佔用的空間會上升，從而下降分區的可用空間。G1應對這個問題採用了改變RSet的密度的方式，在PRT中將會以三種模式記錄引用：

• 稀少：直接記錄引用對象的卡片索引
• 細粒度：記錄引用對象的分區索引
• 粗粒度：只記錄引用狀況，每一個分區對應一個比特位

由上可知，粗粒度的PRT只是記錄了引用數量，須要經過整堆掃描才能找出全部引用，所以掃描速度也是最慢的。

收集集合 (CSet)

收集集合 CSet

收集集合(CSet)表明每次GC暫停時回收的一系列目標分區。在任意一次收集暫停中，CSet全部分區都會被釋放，內部存活的對象都會被轉移到分配的空閒分區中。所以不管是年輕代收集，仍是混合收集，工做的機制都是一致的。年輕代收集CSet只容納年輕代分區，而混合收集會經過啓發式算法，在老年代候選回收分區中，篩選出回收收益最高的分區添加到CSet中。

候選老年代分區的CSet准入條件，能夠經過活躍度閾值-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默認85%)進行設置，從而攔截那些回收開銷巨大的對象；同時，每次混合收集能夠包含候選老年代分區，可根據CSet對堆的總大小佔比-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent(默認10%)設置數量上限。

由上述可知，G1的收集都是根據CSet進行操做的，年輕代收集與混合收集沒有明顯的不一樣，最大的區別在於兩種收集的觸發條件。

年輕代收集集合

年輕代收集集合 CSet of Young Collection

應用線程不斷活動後，年輕代空間會被逐漸填滿。當JVM分配對象到Eden區域失敗(Eden區已滿)時，便會觸發一次STW式的年輕代收集。在年輕代收集中，Eden分區存活的對象將被拷貝到Survivor分區；原有Survivor分區存活的對象，將根據任期閾值(tenuring threshold)分別晉升到PLAB中，新的survivor分區和老年代分區。而原有的年輕代分區將被總體回收掉。

同時，年輕代收集還負責維護對象的年齡(存活次數)，輔助判斷老化(tenuring)對象晉升的時候是到Survivor分區仍是到老年代分區。年輕代收集首先先將晉升對象尺寸總和、對象年齡信息維護到年齡表中，再根據年齡表、Survivor尺寸、Survivor填充容量-XX:TargetSurvivorRatio(默認50%)、最大任期閾值-XX:MaxTenuringThreshold(默認15)，計算出一個恰當的任期閾值，凡是超過任期閾值的對象都會被晉升到老年代。

混合收集集合

混合收集集合 CSet of Mixed Collection

年輕代收集不斷活動後，老年代的空間也會被逐漸填充。當老年代佔用空間超過整堆比IHOP閾值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默認45%)時，G1就會啓動一次混合垃圾收集週期。爲了知足暫停目標，G1可能不能一口氣將全部的候選分區收集掉，所以G1可能會產生連續屢次的混合收集與應用線程交替執行，每次STW的混合收集與年輕代收集過程相相似。

爲了肯定包含到年輕代收集集合CSet的老年代分區，JVM經過參數混合週期的最大總次數-XX:G1MixedGCCountTarget(默認8)、堆廢物百分比-XX:G1HeapWastePercent(默認5%)。經過候選老年代分區總數與混合週期最大總次數，肯定每次包含到CSet的最小分區數量；根據堆廢物百分比，當收集達到參數時，再也不啓動新的混合收集。而每次添加到CSet的分區，則經過計算獲得的GC效率進行安排。

第四章 G1的活動週期

G1垃圾收集活動彙總

祭出一張總圖

RSet的維護

因爲不能整堆掃描，又須要計算分區確切的活躍度，所以，G1須要一個增量式的徹底標記併發算法，經過維護RSet，獲得準確的分區引用信息。在G1中，RSet的維護主要來源兩個方面：寫柵欄(Write Barrier)和併發優化線程(Concurrence Refinement Threads)

柵欄

柵欄 Barrier

咱們首先介紹一下柵欄(Barrier)的概念。柵欄是指在原生代碼片斷中，當某些語句被執行時，柵欄代碼也會被執行。而G1主要在賦值語句中，使用寫前柵欄(Pre-Write Barrrier)和寫後柵欄(Post-Write Barrrier)。事實上，寫柵欄的指令序列開銷很是昂貴，應用吞吐量也會根據柵欄複雜度而下降。

寫前柵欄 Pre-Write Barrrier

即將執行一段賦值語句時，等式左側對象將修改引用到另外一個對象，那麼等式左側對象原先引用的對象所在分區將所以喪失一個引用，那麼JVM就須要在賦值語句生效以前，記錄喪失引用的對象。JVM並不會當即維護RSet，而是經過批量處理，在未來RSet更新(見SATB)。

寫後柵欄 Post-Write Barrrier

當執行一段賦值語句後，等式右側對象獲取了左側對象的引用，那麼等式右側對象所在分區的RSet也應該獲得更新。一樣爲了下降開銷，寫後柵欄發生後，RSet也不會當即更新，一樣只是記錄這次更新日誌，在未來批量處理(見Concurrence Refinement Threads)。

起始快照算法

起始快照算法 Snapshot at the beginning (SATB)

Taiichi Tuasa貢獻的增量式徹底併發標記算法起始快照算法(SATB)，主要針對標記-清除垃圾收集器的併發標記階段，很是適合G1的分區塊的堆結構，同時解決了CMS的主要煩惱：從新標記暫停時間長帶來的潛在風險。

SATB會建立一個對象圖，至關於堆的邏輯快照，從而確保併發標記階段全部的垃圾對象都能經過快照被鑑別出來。當賦值語句發生時，應用將會改變了它的對象圖，那麼JVM須要記錄被覆蓋的對象。所以寫前柵欄會在引用變動前，將值記錄在SATB日誌或緩衝區中。每一個線程都會獨佔一個SATB緩衝區，初始有256條記錄空間。當空間用盡時，線程會分配新的SATB緩衝區繼續使用，而原有的緩衝去則加入全局列表中。最終在併發標記階段，併發標記線程(Concurrent Marking Threads)在標記的同時，還會按期檢查和處理全局緩衝區列表的記錄，而後根據標記位圖分片的標記位，掃描引用字段來更新RSet。此過程又稱爲併發標記/SATB寫前柵欄。

併發優化線程

併發優化線程 Concurrence Refinement Threads

G1中使用基於Urs Hölzle的快速寫柵欄，將柵欄開銷縮減到2個額外的指令。柵欄將會更新一個card table type的結構來跟蹤代間引用。

當賦值語句發生後，寫後柵欄會先經過G1的過濾技術判斷是不是跨分區的引用更新，並將跨分區更新對象的卡片加入緩衝區序列，即更新日誌緩衝區或髒卡片隊列。與SATB相似，一旦日誌緩衝區用盡，則分配一個新的日誌緩衝區，並將原來的緩衝區加入全局列表中。

併發優化線程(Concurrence Refinement Threads)，只專一掃描日誌緩衝區記錄的卡片來維護更新RSet，線程最大數目可經過-XX:G1ConcRefinementThreads(默認等於-XX:ParellelGCThreads)設置。併發優化線程永遠是活躍的，一旦發現全局列表有記錄存在，就開始併發處理。若是記錄增加很快或者來不及處理，那麼經過閾值-X:G1ConcRefinementGreenZone/-XX:G1ConcRefinementYellowZone/-XX:G1ConcRefinementRedZone，G1會用分層的方式調度，使更多的線程處理全局列表。若是併發優化線程也不能跟上緩衝區數量，則Mutator線程(Java應用線程)會掛起應用並被加進來幫助處理，直到所有處理完。所以，必須避免此類場景出現。

併發標記週期

併發標記週期 Concurrent Marking Cycle

併發標記週期是G1中很是重要的階段，這個階段將會爲混合收集週期識別垃圾最多的老年代分區。整個週期完成根標記、識別全部(可能)存活對象，並計算每一個分區的活躍度，從而肯定GC效率等級。

當達到IHOP閾值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(老年代佔整堆比，默認45%)時，便會觸發併發標記週期。整個併發標記週期將由初始標記(Initial Mark)、根分區掃描(Root Region Scanning)、併發標記(Concurrent Marking)、從新標記(Remark)、清除(Cleanup)幾個階段組成。其中，初始標記(隨年輕代收集一塊兒活動)、從新標記、清除是STW的，而併發標記若是來不及標記存活對象，則可能在併發標記過程當中，G1又觸發了幾回年輕代收集。

併發標記線程

併發標記線程 Concurrent Marking Threads

要標記存活的對象，每一個分區都須要建立位圖(Bitmap)信息來存儲標記數據，來肯定標記週期內被分配的對象。G1採用了兩個位圖Previous Bitmap、Next Bitmap，來存儲標記數據，Previous位圖存儲上次的標記數據，Next位圖在標記週期內不斷變化更新，同時Previous位圖的標記數據也愈來愈過期，當標記週期結束後Next位圖便替換Previous位圖，成爲上次標記的位圖。同時，每一個分區經過頂部開始標記(TAMS)，來記錄已標記過的內存範圍。一樣的，G1使用了兩個頂部開始標記Previous TAMS(PTAMS)、Next TAMS(NTAMS)，記錄已標記的範圍。

在併發標記階段，G1會根據參數-XX:ConcGCThreads(默認GC線程數的1/4，即-XX:ParallelGCThreads/4)，分配併發標記線程(Concurrent Marking Threads)，進行標記活動。每一個併發線程一次只掃描一個分區，並經過」手指」指針的方式優化獲取分區。併發標記線程是爆發式的，在給定的時間段拼命幹活，而後休息一段時間，再拼命幹活。

每一個併發標記週期，在初始標記STW的最後，G1會分配一個空的Next位圖和一個指向分區頂部(Top)的NTAMS標記。Previous位圖記錄的上次標記數據，上次的標記位置，即PTAMS，在PTAMS與分區底部(Bottom)的範圍內，全部的存活對象都已被標記。那麼，在PTAMS與Top之間的對象都將是隱式存活(Implicitly Live)對象。在併發標記階段，Next位圖吸取了Previous位圖的標記數據，同時每一個分區都會有新的對象分配，則Top與NTAMS分離，前往更高的地址空間。在併發標記的一次標記中，併發標記線程將找出NTAMS與PTAMS之間的全部存活對象，將標記數據存儲在Next位圖中。同時，在NTAMS與Top之間的對象即成爲已標記對象。如此不斷地更新Next位圖信息，並在清除階段與Previous位圖交換角色。

初始標記

初始標記 Initial Mark

初始標記(Initial Mark)負責標記全部能被直接可達的根對象(原生棧對象、全局對象、JNI對象)，根是對象圖的起點，所以初始標記須要將Mutator線程(Java應用線程)暫停掉，也就是須要一個STW的時間段。事實上，當達到IHOP閾值時，G1並不會當即發起併發標記週期，而是等待下一次年輕代收集，利用年輕代收集的STW時間段，完成初始標記，這種方式稱爲借道(Piggybacking)。在初始標記暫停中，分區的NTAMS都被設置到分區頂部Top，初始標記是併發執行，直到全部的分區處理完。

根分區掃描

根分區掃描 Root Region Scanning

在初始標記暫停結束後，年輕代收集也完成的對象複製到Survivor的工做，應用線程開始活躍起來。此時爲了保證標記算法的正確性，全部新複製到Survivor分區的對象，都須要被掃描並標記成根，這個過程稱爲根分區掃描(Root Region Scanning)，同時掃描的Suvivor分區也被稱爲根分區(Root Region)。根分區掃描必須在下一次年輕代垃圾收集啓動前完成(併發標記的過程當中，可能會被若干次年輕代垃圾收集打斷)，由於每次GC會產生新的存活對象集合。

併發標記

併發標記 Concurrent Marking

和應用線程併發執行，併發標記線程在併發標記階段啓動，由參數-XX:ConcGCThreads(默認GC線程數的1/4，即-XX:ParallelGCThreads/4)控制啓動數量，每一個線程每次只掃描一個分區，從而標記出存活對象圖。在這一階段會處理Previous/Next標記位圖，掃描標記對象的引用字段。同時，併發標記線程還會按期檢查和處理STAB全局緩衝區列表的記錄，更新對象引用信息。參數-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark會開啓一個優化，若是一個類不可達(不是對象不可達)，則在從新標記階段，這個類就會被直接卸載。全部的標記任務必須在堆滿前就完成掃描，若是併發標記耗時很長，那麼有可能在併發標記過程當中，又經歷了幾回年輕代收集。若是堆滿前沒有完成標記任務，則會觸發擔保機制，經歷一次長時間的串行Full GC。

存活數據計算

存活數據計算 Live Data Accounting

存活數據計算(Live Data Accounting)是標記操做的附加產物，只要一個對象被標記，同時會被計算字節數，並計入分區空間。只有NTAMS如下的對象會被標記和計算，在標記週期的最後，Next位圖將被清空，等待下次標記週期。

從新標記

從新標記 Remark

從新標記(Remark)是最後一個標記階段。在該階段中，G1須要一個暫停的時間，去處理剩下的SATB日誌緩衝區和全部更新，找出全部未被訪問的存活對象，同時安全完成存活數據計算。這個階段也是並行執行的，經過參數-XX:ParallelGCThread可設置GC暫停時可用的GC線程數。同時，引用處理也是從新標記階段的一部分，全部重度使用引用對象(弱引用、軟引用、虛引用、最終引用)的應用都會在引用處理上產生開銷。

清除

清除 Cleanup

緊挨着從新標記階段的清除(Clean)階段也是STW的。Previous/Next標記位圖、以及PTAMS/NTAMS，都會在清除階段交換角色。清除階段主要執行如下操做：

1. RSet梳理，啓發式算法會根據活躍度和RSet尺寸對分區定義不一樣等級，同時RSet數理也有助於發現無用的引用。參數-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy能夠開啓打印啓發式算法決策細節；
2. 整理堆分區，爲混合收集週期識別回收收益高(基於釋放空間和暫停目標)的老年代分區集合；
3. 識別全部空閒分區，即發現無存活對象的分區。該分區可在清除階段直接回收，無需等待下次收集週期。

年輕代收集/混合收集週期

年輕代收集和混合收集週期，是G1回收空間的主要活動。當應用運行開始時，堆內存可用空間還比較大，只會在年輕代滿時，觸發年輕代收集；隨着老年代內存增加，當到達IHOP閾值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(老年代佔整堆比，默認45%)時，G1開始着手準備收集老年代空間。首先經歷併發標記週期，識別出高收益的老年代分區，前文已述。但隨後G1並不會立刻開始一次混合收集，而是讓應用線程先運行一段時間，等待觸發一次年輕代收集。在此次STW中，G1將保準整理混合收集週期。接着再次讓應用線程運行，當接下來的幾回年輕代收集時，將會有老年代分區加入到CSet中，即觸發混合收集，這些連續屢次的混合收集稱爲混合收集週期(Mixed Collection Cycle)。

GC工做線程數

GC工做線程數 -XX:ParallelGCThreads

JVM能夠經過參數-XX:ParallelGCThreads進行指定GC工做的線程數量。參數-XX:ParallelGCThreads默認值並非固定的，而是根據當前的CPU資源進行計算。若是用戶沒有指定，且CPU小於等於8，則默認與CPU核數相等；若CPU大於8，則默認JVM會通過計算獲得一個小於CPU核數的線程數；固然也能夠人工指定與CPU核數相等。

年輕代收集

年輕代收集 Young Collection

每次收集過程當中，既有並行執行的活動，也有串行執行的活動，但均可以是多線程的。在並行執行的任務中，若是某個任務太重，會致使其餘線程在等待某項任務的處理，須要對這些地方進行優化。

並行活動

外部根分區掃描 Ext Root Scanning：此活動對堆外的根(JVM系統目錄、VM數據結構、JNI線程句柄、硬件寄存器、全局變量、線程對棧根)進行掃描，發現那些沒有加入到暫停收集集合CSet中的對象。若是系統目錄(單根)擁有大量加載的類，最終可能其餘並行活動結束後，該活動依然沒有結束而帶來的等待時間。

更新已記憶集合 Update RS：併發優化線程會對髒卡片的分區進行掃描更新日誌緩衝區來更新RSet，但只會處理全局緩衝列表。做爲補充，全部被記錄可是尚未被優化線程處理的剩餘緩衝區，會在該階段處理，變成已處理緩衝區(Processed Buffers)。爲了限制花在更新RSet的時間，能夠設置暫停佔用百分比-XX:G1RSetUpdatingPauseTimePercent(默認10%，即-XX:MaxGCPauseMills/10)。值得注意的是，若是更新日誌緩衝區更新的任務不下降，單純地減小RSet的更新時間，會致使暫停中被處理的緩衝區減小，將日誌緩衝區更新工做推到併發優化線程上，從而增長對Java應用線程資源的爭奪。

RSet掃描 Scan RS：在收集當前CSet以前，考慮到分區外的引用，必須掃描CSet分區的RSet。若是RSet發生粗化，則會增長RSet的掃描時間。開啓診斷模式-XX:UnlockDiagnosticVMOptions後，經過參數-XX:+G1SummarizeRSetStats能夠肯定併發優化線程是否可以及時處理更新日誌緩衝區，並提供更多的信息，來幫助爲RSet粗化總數提供窗口。參數-XX：G1SummarizeRSetStatsPeriod=n可設置RSet的統計週期，即經歷多少此GC後進行一次統計

代碼根掃描 Code Root Scanning：對代碼根集合進行掃描，掃描JVM編譯後代碼Native Method的引用信息(nmethod掃描)，進行RSet掃描。事實上，只有CSet分區中的RSet有強代碼根時，纔會作nmethod掃描，查找對CSet的引用。

轉移和回收 Object Copy：經過選定的CSet以及CSet分區完整的引用集，將執行暫停時間的主要部分：CSet分區存活對象的轉移、CSet分區空間的回收。經過工做竊取機制來負載均衡地選定複製對象的線程，而且複製和掃描對象被轉移的存活對象將拷貝到每一個GC線程分配緩衝區GCLAB。G1會經過計算，預測分區複製所花費的時間，從而調全年輕代的尺寸。

終止 Termination：完成上述任務後，若是任務隊列已空，則工做線程會發起終止要求。若是還有其餘線程繼續工做，空閒的線程會經過工做竊取機制嘗試幫助其餘線程處理。而單獨執行根分區掃描的線程，若是任務太重，最終會晚於終止。

GC外部的並行活動 GC Worker Other：該部分並不是GC的活動，而是JVM的活動致使佔用了GC暫停時間(例如JNI編譯)。

串行活動

代碼根更新 Code Root Fixup：根據轉移對象更新代碼根。

代碼根清理 Code Root Purge：清理代碼根集合表。

清除全局卡片標記 Clear CT：在任意收集週期會掃描CSet與RSet記錄的PRT，掃描時會在全局卡片表中進行標記，防止重複掃描。在收集週期的最後將會清除全局卡片表中的已掃描標誌。

選擇下次收集集合 Choose CSet：該部分主要用於併發標記週期後的年輕代收集、以及混合收集中，在這些收集過程當中，因爲有老年代候選分區的加入，每每須要對下次收集的範圍作出界定；但單純的年輕代收集中，全部收集的分區都會被收集，不存在選擇。

引用處理 Ref Proc：主要針對軟引用、弱引用、虛引用、final引用、JNI引用。當Ref Proc佔用時間過多時，可選擇使用參數-XX:ParallelRefProcEnabled激活多線程引用處理。G1但願應用能當心使用軟引用，由於軟引用會一直佔據內存空間直到空間耗盡時被Full GC回收掉；即便未發生Full GC，軟引用對內存的佔用，也會致使GC次數的增長。

引用排隊 Ref Enq：此項活動可能會致使RSet的更新，此時會經過記錄日誌，將關聯的卡片標記爲髒卡片。

卡片從新髒化 Redirty Cards：從新髒化卡片。

回收空閒巨型分區 Humongous Reclaim：G1作了一個優化：經過查看全部根對象以及年輕代分區的RSet，若是肯定RSet中巨型對象沒有任何引用，則說明G1發現了一個不可達的巨型對象，該對象分區會被回收。

釋放分區 Free CSet：回收CSet分區的全部空間，並加入到空閒分區中。

其餘活動 Other：GC中可能還會經歷其餘耗時很小的活動，如修復JNI句柄等。

併發標記週期後的年輕代收集

併發標記週期後的年輕代收集 Young Collection Following Concurrent Marking Cycle

當G1發起併發標記週期以後，並不會立刻開始混合收集。G1會先等待下一次年輕代收集，而後在該收集階段中，肯定下次混合收集的CSet(Choose CSet)。

混合收集週期

混合收集週期 Mixed Collection Cycle

單次的混合收集與年輕代收集並沒有二致。根據暫停目標，老年代的分區可能不能一次暫停收集中被處理完，G1會發起連續屢次的混合收集，稱爲混合收集週期(Mixed Collection Cycle)。G1會計算每次加入到CSet中的分區數量、混合收集進行次數，而且在上次的年輕代收集、以及接下來的混合收集中，G1會肯定下次加入CSet的分區集(Choose CSet)，而且肯定是否結束混合收集週期。

轉移失敗的擔保機制 Full GC

轉移失敗的擔保機制 Full GC

轉移失敗(Evacuation Failure)是指當G1沒法在堆空間中申請新的分區時，G1便會觸發擔保機制，執行一次STW式的、單線程的Full GC。Full GC會對整堆作標記清除和壓縮，最後將只包含純粹的存活對象。參數-XX:G1ReservePercent(默認10%)能夠保留空間，來應對晉升模式下的異常狀況，最大佔用整堆50%，更大也無心義。

G1在如下場景中會觸發Full GC，同時會在日誌中記錄to-space-exhausted以及Evacuation Failure：

1. 從年輕代分區拷貝存活對象時，沒法找到可用的空閒分區
2. 從老年代分區轉移存活對象時，沒法找到可用的空閒分區
3. 分配巨型對象時在老年代沒法找到足夠的連續分區

因爲G1的應用場合每每堆內存都比較大，因此Full GC的收集代價很是昂貴，應該避免Full GC的發生。

第五章 總結

G1是一款很是優秀的垃圾收集器，不只適合堆內存大的應用，同時也簡化了調優的工做。經過主要的參數初始和最大堆空間、以及最大容忍的GC暫停目標，就能獲得不錯的性能；同時，咱們也看到G1對內存空間的浪費較高，但經過首先收集儘量多的垃圾(Garbage First)的設計原則，能夠及時發現過時對象，從而讓內存佔用處於合理的水平。

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參考資料

[1] Charlie H, Monica B, Poonam P, Bengt R. Java Performance Companion 
[2] 周志明. 深刻理解JVM虛擬機

 

 

原文地址：https://blog.csdn.net/coderlius/article/details/79272773

參考：http://ifeve.com/%E6%B7%B1%E5%85%A5%E7%90%86%E8%A7%A3g1%E5%9E%83%E5%9C%BE%E6%94%B6%E9%9B%86%E5%99%A8/