G1垃圾回收器运行机制与优缺点

逃离我推掉我的手 2022-08-31 11:11 188阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1 简介
 *  2 停顿时间模型
 *  3 Region
 *  4 引入的问题
 *   *  4.1 跨Region引用对象
     *  4.2 并发标记阶段如何保证GC线程与用户线程互不干扰地运行
     *  4.3 如何建立可靠的停顿预测模型
 *  5 运行机制
 *  6 优缺点
 *   *  6.1 优点
     *  6.2 缺点
 *  7 总结

# 1 简介 #

G1开创了收集器面向局部收集的设计思路和基于Region的内存布局形式，它被作为JDK9的默认收集器，以接替JDK5提供的CMS收集器，所以同样是一款主要面向服务器应用的垃圾收集器。

它的设计目标不再是一次性把整个堆空间清理干净，而是追求内存分配速率与内存回收速率的平衡，以到达在GC产生的延迟可控的情况下，获得尽可能高的吞吐量。

# 2 停顿时间模型 #

“停顿时间模型”是G1最主要的特性，它允许程序员可以按照应用程序对延迟时间的可忍受程度，自由的将GC的执行时间限制在一个固定的范围内，使得应用程序的响应时间与吞吐量达到一个合理的平衡。

为了实现这一目标，G1从内存布局空间、对象分配策略、回收策略等多个方面进行了重新设计。

# 3 Region #

基于Region的堆内存布局设计是G1能够建立其可预测的停顿时间模型的关键。

G1采用“化整为零”的解题思路，它将连续的Java堆内存空间划分为多个大小相等的独立区域，每一块称为一个Region（通过-XX: G1HepRegionSize可自定义每个Region的大小，取值范围为1M~32M）。

每个Region都可以根据需要，充当新生代的Eden、Survivor或老年代空间。所以新生代和老年代的大小不再固定，而是动态变化的。

对于大对象的堆内存分配，G1通过一类称为Humongous的特殊区域，专门用于存储大对象的Region。当对象的大小超过一个Region容量大小的一半，即判定为大对象。而对于超过整个Region容量大小的超级大对象，将被存放在N个连续的Humongous Region中。

正是因为G1将Region作为单次回收的最小单元，所以G1可以避免每次GC都对整个新生代或老年代进行回收，而是按照程序员允许的收集停顿时间（-XX: MaxGCPausMillis，默认200ms），有计划地进行堆内存空间的局部收集。也就是说G1会跟踪每个Region里垃圾堆积的“价值”大小（可回收空间大小+回收耗时），优先处理GC收益最高的Region，以保证在有限时间内获得尽可能高的收集效率。

# 4 引入的问题 #

## 4.1 跨Region引用对象 ##

使用记忆集避免全堆作为GC Roots扫描，每个Region都维护一个独立的记忆集。

由于Region数量越多，记忆集数量越多，所以G1会耗费大约堆内存大小的10%~20%来维持正常工作。

## 4.2 并发标记阶段如何保证GC线程与用户线程互不干扰地运行 ##

CMS采用增量更新算法实现，而G1通过原始快照（SATB）算法实现。

## 4.3 如何建立可靠的停顿预测模型 ##

通过跟踪每个Region的各项指标状态（回收耗时、记忆集中的脏卡数量、步骤花费），通过这些统计信息完成计算在不超过期望停顿时间约束下的所能产生的的最高收益，以确定GC的回收集。

# 5 运行机制 #

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（1）标记阶段

*  初始标记（STW）：标记与GC Roots能**直接关联**的对象，并修改TAMS指针的值。
 *  并发标记：从初始标记的对象出发遍历整个堆里的对象图，确认要回收的对象，与用户程序并发执行。扫描完成后，重新处理SATB记录下的在并发时有引用变动的对象。
 *  最终标记（STW）：暂停用户线程，处理上一阶段结束后仍遗留下来的最后那少量的SATB记录。

（2）回收阶段

*  筛选回收（STW）：负责更新Region的统计数据，对各个Region的回收截止和成本进行排序，根据用户所期望的停顿时间来制定回收计划，确定要回收的region组成回收集，并将回收集中存活的对象复制到空的Region中，再清理掉整个Region的全部空间。

# 6 优缺点 #

## 6.1 优点 ##

（1）可指定最大停顿时间

该值要合理的进行设置，如果设置的太小，会使得每次筛选出的回收集只占堆内存的很小一部分，收集速度跟不上分配速度，导致垃圾堆积，最终产生Full GC，通常该为100~300ms较为合理。

（2）按受益动态确定回收集

（3）低内存碎片

从整体上看，G1采用“标记-整理”的垃圾回收算法，从局部上看又是基于“标记-复制”算法实现，这两种算法使得G1在GC后不会产生内存碎片，有利于程序的长时间运行。

## 6.2 缺点 ##

（1）内存占用高

由于堆内存被划分为许多个小的Region分区数量，面对跨Region对象引用问题，每个Region分区都需要独立维护一份记忆集，使得用于维持G1正常运行的额外内存空间占到了总堆内存空间的10%~20%。

（2）执行负载高

写屏障

CMS用写后屏障来更新维护卡表

G1除使用写后屏障来更新维护卡表外，为了实现原始快照搜索算法，还需要使用写前屏障来跟踪并发时的指针变化情况。

# 7 总结 #

在小内存的机器上CMS大概率表现得比G1更好，而大内存则G1的优势更加明显。大小内存的平衡点在6-8G之间。

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