JVM的七大垃圾回收器下篇----G1(Garbage First)

1、 G1回收器:区域化分代式

既然我们已经有了前面几个强大的GC，为什么还要发布Garbage First（G1）GC？
原因就在于应用程序应对的业务越来越庞大、复杂、用户越来越多。没有GC就不能保证应用程序正常进行，而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化，G1 （Garbage一First） 垃圾回收器是在Java7 update4之后引入的一个新的垃圾回收器，是当今收集器技术发展的最前沿成果之一。
与此同时，为了适应现在不断扩大的内存和不断增加的处理器数量，进一步降低暂停时间（pause time） ，同时兼顾良好的吞吐量。
官方给G1设定的目标是在延迟可控（低暂停）的情况下获得尽可能高的吞吐量（高吞吐），所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。

1、1为什么名字叫做Garbage First （G1）呢？

• 因为G1是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域（Region） （物理上 不连续的）。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等。
• G1 GC有计划地避免在整个Java 堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region 里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。
• 由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间（Region），所以我们给G1一个名字：垃圾优先（Garbage First） 。
• G1 （Garbage一First） 是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间的同时，还兼具高吞吐量的性能特征。
• 在JDK1. 7版本正式启用，移除了Experimental的标识，是JDK 9以后的默认垃圾回收器，取代了CMS回收器以及Parallel + Parallel 0ld组合。被Oracle官方称为“全功能的垃圾收集器” 。
• 与此同时，CMS已经在JDK 9中被标记为废弃（deprecated） 。
• G1在jdk8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用一XX： +UseG1GC来启用。

1、2 G1垃圾回收器优势

与其他GC收集器相比，G1使用了全新的分区算法，其特点如下所示：四个特点：

• 并行与并发

  • ?并行性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程STW
  • ?并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况

• 分代收集

  • ?从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。
  • ?将堆空间分为若干个区域（Region） ，这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代
  • ?和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代；
    

• 空间整合

  • ?CMS： “标记一清除”算法、内存碎片、若干次Gc后进行一次碎片整理
  • ?G1将内存划分为一个个的region。 内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法。
  • 但整体上实际可看作是标记一压缩（Mark一Compact）算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

• 可预测的停顿时间模型（即：软实时soft-time）：这是G1相对于CMS的另一大优势，G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。

  • ?由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
  • ?G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以 及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。保证了G1 收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
  • ?相比于CMSGC，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要.好很多。

1、3 G1的缺点

• 相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性优势，比如在用户程序运行过程中，G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用（Footprint）还是程序运行时的额外执行负载（overload） 都要比CMS要高。
• 从经验上来说，在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上，则发挥其优势，平衡点在6-8GB之间。

1、4参数设置

• -XX：+UseG1GC 手动指定使用G1收集器执行内存回收任务。
• -XX：G1HeapRegionSize 设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB 到32MB之间，目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。
• -XX：MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大Gc停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到）。默认值是200ms
• -xX：ParallelGCThread 设置sTw.工作线程数的值。最多设置为8
• -XX：ConcGCThreads 设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGCThreads）的1/4左右。
• -XX：Ini tiatingHeapOccupancyPercent 设置触发并发GC周期的Java堆占用率阈值。超过此值，就触发GC。默认值是45。

1、4 G1回收器的常见操作步骤

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

• 第一步：开启G1垃圾收集器
• 第二步：设置堆的最大内存
• 第三步：设置最大的停顿时间

G1中提供了三种垃圾回收模式，YoungGC、 Mixed GC和Full GC， 在不同的条件下被触发。（后文详细讲）

1、5 G1适用场景

• 面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器（在普通大小的堆里表现并不惊喜）
• 最主要的应用是需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案；
• 如：在堆大小约6GB或更大时，可预测的暂停时间可以低于0.5秒； （ G1通过每次只清理一部分而不是全部的Region的增量式清理来保证每次GC停顿时间不会过长）。
• 用来替换掉JDK1.5中的CMS收集器； 在下面的情况时，使用G1可能比CMS好：
  ①：超过50%的Java堆被活动数据占用；
  ②：对象分配频率或年代提升频率变化很大；
  ③：GC停顿时间过长（长于0. 5至1秒）。
• HotSpot垃圾收集器里，除了G1以外，其他的垃圾收集器使用内置的JVM线程执行GC（线程优先级低）的多线程操作
• 而G1 GC可以采用应用线程承担后台运行的GC工作，即当JVM的GC线程处理速度慢时，系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。

1、6分区region，化整为零

使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB， 2MB， 4MB， 8MB， 1 6MB， 32MB。
可以通过一 XX：G1HeapRegionSize设定。所有的Region大小相同，且在JVM生命周期内不会被改变。
虽然还保留着新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region （不需要连续）的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑_上的连续。

• 一个region有可能属于Eden， Survivor 或者Old/Tenured 内存区域。但是一个region只可能属于一个角色。图中的E表示该region属于Eden内存区域，s表示属于Survivor内存区域，O表示属于Old内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。
• G1 垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过1. 5个region，就放到H。
• 设置H的原因：对于堆中的大对象，默认直接会被分配到老年代，但是如果它是一个短期存在的大对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放大对象。如果一个H区装不下一个大对象，那么G1会寻找连续的H区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。G1的大多数行为都把H区作为老年代的一部分来看待。

2、G1回收器垃圾回收过程

G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：

• 年轻代GC（Young GC ）
• 老老年代并发标记过程（ Concurrent Marking）
• 混合回收（Mixed GC ）
• 如果需要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是继续存在的。它针对GC的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。）
  
  顺时针，young gc 一> young gc + concurrent mark 一> Mixed GC顺序，进行垃圾回收。

1. 应用程序分配内存，当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程； G1的年轻代收集阶段是一个并行的（多个回收线程）独占式(STW)收集器。在年轻代回收期，G1 GC暂停所有应用程序线程，启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间，也有可能是两个区间都会涉及。
2. 当堆内存使用达到一定值（默认45%）时，开始老年代并发标记过程。
3. 标记完成马.上开始混合回收过程。对于一个混合回收期，G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同，老年代的G1回收器和其他GC不同，G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了。同时，这个老年代Region是和年轻代一起 被回收的。

举个例子：一个web服务器，Java进程最大堆内存为4G，每分钟响应1500个请求，每45秒钟会新分配大约2G的内存。G1会每45秒钟进行一次年轻代回收，每31 个小时整个堆的使用率会达到45%，会开始老年代并发标记过程，标记完成后开始四到五次的混合回收。

2、1 记忆集与写屏障

• 一个对象被不同区域引用的问题（分代引用的问题）
• 一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确？
• 在其他的分代收集器，也存在这样的问题（ 而G1更突出）
• 回收新生代也不得不同时扫描老年代？
• 这样的话会降低MinorGC的效率；

解决方案

• ?无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用RememberedSet来避免全局扫描：
• ?每个Region都有 一个对应的Remembered Set；
• ?每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier暂时中断操作；
• ?然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region （其他收集器：检查老年代对象是否引用了新生代对象） ；
• ?如果不同，通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中；
• ?当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set；就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。
  

3、G1回收过程详解

3、1 过程1年轻代GC

• JVM启动时，G1 先准备好Eden区，程序在运行过程中不断创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年轻代垃圾回收过程。

• 年轻代垃圾回收只会回收Eden区（主动）和Survivor区（被动）。

• YGC时，首先G1停止应用程序的执行（Stop一The一World），G1创建回收集（Collection Set），回收集是指需要被回收的内存分段的集合，年轻代回收过程的回收集包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。

• 复制算法（S、E–>空闲区相当于To区）（S–>寻找新的空闲区作为老年代）
  
  然后开始如下回收过程：

• 第一阶段，扫描根

  • 根：指static变量指向的对象（类生命周期，方法区引用的对象），正在执行的方法调用链条上的局部变量等（方法生命周期，虚拟机栈引用的对象）。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。

• 第二阶段，更新RSet
  处理dirty card queue（ 见备注）中的card，更新RSet。 此阶段完成后，RSet可 以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用（指的新生代）。

  • dirty card queue: 对于应用程序的引用赋值语句object.field=object，JVM会在之前和之后执行特殊的操作以在dirty card queue中入队一个保存了对象引用信息的card。
  • 在年轻代回收的时候， G1会对Dirty Card Queue中所有的card进行处理，以更新RSet，保证RSet实时准确的反映引用关系。
  • 那为什么不在引用赋值语句处直接更新RSet呢？这是为了性能的需要，RSet的处理需要线程同步，开销会很大，使用队列性能会好很多

• 第三阶段，处理Rset
  识别被老年代对象指向的Eden中的对象，这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。

• 第四阶段，复制对象。
  此阶段，对象树被遍历，Eden区 内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段，Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值，年龄会加1，达到阀值会被会被复制到01d区中空的内存分段。如果Survivor空间不够，Eden空间的 部分数据会直接晋升到老年代空间。

• 第五阶段，处理引用
  处理Soft，Weak， Phantom， Final， JNI Weak等引用。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，而目标内存中的对象都是连续存储的，没有碎片，所以复制过程可以达到内存整理的效果，减少碎片。

3、2 过程2年轻代GC+并发标记过程

• 初始标记阶段：标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW的，并且会触发一.次年轻代GC。
• 根区域扫描（Root Region Scanning） ： G1 GC扫描Survivor区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。这一过程必须在young GC之前完成。
• 并发标记（Concurrent Marking）： 在整个堆中进行并发标记（和应用程序并发执行），此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性（区域中存活对象的比例）。
• 再次标记（Remark）： 由于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果。是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法：snapshot一at一the一beginning （SATB）。
• 独占清理（cleanup，STW）：计算各个区域的存活对象和GC回收比例，并进行排序，识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是STW的。
  • ?这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集
• 并发清理阶段：识别并清理完全空闲的区域。

3、3 过程3 混合回收

当越来越多的对象晋升到老年代Oldregion时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC， 该算法并不是一个OldGC，除了回收整个Young Region，还会回收一部分的0ldRegion。这里需要注意：是一部分老年代， 而不是全部老年代。可以选择哪些OldRegion进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC并不是Full GC。

• 并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下，这些老年代的内存分段会分8次（可以通过一XX： G1MixedGCCountTarget设置）被回收。
• 混合回收的回收集（Collection Set） 包括八分之一的老年代内存分段，Eden区内存分段，Survivor区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样，只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程请参考上面的年轻代回收过程。
• 由于老年代中的内存分段默认分8次回收，G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收，一xX： G1MixedGCLiveThresholdPercent，默认为65%，意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会花费更多的时间。
• 混合回收并不一定要进行8次。有一个阈值一Xx： G1HeapWastePercent，默认值为10%，意思是允许整个堆内存中有10%的空间被浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%，则不再进行混合回收。因为GC会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。

3、4 过程4 Full GC

G1的初衷就是要避免Full GC的出现。但是如果上述方式不能正常工作，G1会停止应用程序的执行（Stop一 The一World），使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。
要避免Full GC的发生，一旦发生需要进行调整。什么时候会发生Full GC呢？比如堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到full gc， 这种情况可以通过增大内存解决。

• 1.Evacuation的时候没有足够的to一 space来存放晋升的对象；
• 2.并发处理过程完成之前空间耗尽。
  补充：
  从Oracle官方透露出来的信息可获知，回收阶段（Evacuation）其实.本也有想过设计成与用户程序一起并发执行，但这件事情做起来比较复杂，考虑到G1只是回收一部分Region， 停顿时间是用户可控制的，所以并不迫切去实现，而选择把这个特性放到了G1之后出现的低延迟垃圾收集器（即ZGC）中。另外，还考虑到G1不是仅仅面向低延迟，停顿用户线程能够最大幅度提高垃圾收集效率，为了保证吞吐量所以才选择了完全暂停用户线程的实现方案。

4、G1回收器优化建议

• 年轻代大小
  • ?避免使用一Xmn或一XX：NewRatio等相关选项显式设置年 轻代大小?固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标
• 暂停时间目标不要太过严苛
  • G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间
  • 评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表 示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这些会直接影响到吞吐量。

5、七种经典垃圾回收器总结

截止JDK 1.8，一共有7款不同的垃圾收集器。每一款不同的垃圾收集器都有不同的特点，在具体使用的时候，需要根据具体的情况选用不同的垃圾收集器。

不同厂商、不同版本的虚拟机实现差别很大。HotSpot 虚拟机在JDK7/8后所有收集器及组合（连线），如下图：

• 1.两个收集器间有连线，表明它们可以搭配使用： Serial/Serial 0ld、Serial /CMS、ParNew/Serial 0ld、ParNew/CMS、 Parallel Scavenge/Serial 01d、Parallel Scavenge/Parallel 0ld、G1；
• 2.其中Serial 0ld作 为CMS出现"Concurrent Mode Failure"失败 的后备预案。
• 3.（红色虚线）由于维护和兼容性测试的成本，在JDK 8时将Serial+CMS、 ParNew+Serial 0ld这两个组合声明为Deprecated （JEP 173），并在JDK 9中完全取消了这些组合的支持（JEP214），即：移除。
• 4.（绿色虚线）JDK 14中：弃用ParallelScavenge 和Serial0ld GC组合 （JEP 366）
• 5.（青色虚线）JDK 14中：删除CMS垃圾回收器 （JEP 363 ） GC发展阶段： Serial => Parallel （并行） => CMS （并发） => G1 => ZGC

怎么选择垃圾回收器？

• Java垃圾收集器的配置对于JVM优化来说是一个很重要的选择，选择合适的垃圾收集器可以让JVM的性能有一个很大的提升。
• 怎么选择垃圾收集器？
  • 1.优先调整堆的大小让JVM自适应完成。
  • 2.如果内存小于100M，使用串行收集器
  • 3.如果是单核、单机程序，并且没有停顿时间的要求，串行收集器
  • 4.如果是多CPU、需要高吞吐量、允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选择
  • 5.如果是多CPU、追求低停顿时间，需快速响应（比如延迟不能超过1秒，如互联网应用），使用并发收集器
  • 官方推荐G1，性能高。现在互联网的项目，基本都是使用G1。
• 最后需要明确一一个观点：
  • 1、.没有最好的收集器，更没有万能的收集；
  • 2、调优永远是针对特定场景、特定需求，不存在一劳永逸的收集器