JVM窥探——G1收集器

浅浅的花香味﹌ 2022-09-12 01:48 165阅读 0赞

在这篇博客[《JVM（2）——GC算法和收集器》][JVM_2_GC]中，简单介绍了GC的算法和收集器。今天主要介绍其中的一种收集器G1。

## 一、目标 ##

尽最大可能减少STW时间；  
GC停顿可控；  
不产生内存碎片和浮动垃圾。

## 二、特点 ##

### 1、化整为零，引入region。 ###

### Region ###

Java堆划分成多个独立区域Region，新生代和老年代也不再是物理隔离的，他们都是一部分Region集合。新增的Humongous区，专门用来存放临时的大对象。如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAeXlzeA_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

### RSet ###

Remembered Set，每个Region初始化时都会有一个RSet，类似一个Hash Table，记录了哪些Region对当前Region的引用【key：Region的起始地址 value：Card Table的index】。在进行后续标记的过程中，RSet也会做同步修改。

**用空间换时间，以避免对全堆扫描。**

### Card Table ###

也叫卡表，通常是字节数组，卡表中的每个区域叫卡。由Card的索引数组下标来标识每个分区的空间地址。用来标记是否被引用，0-未被引用 1-被引用。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAeXlzeA_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

### 2、多种收集算法 ###

分代收集，整体上“标记-整理”，局部是“复制”。

设计思路：面向局部收集

分代收集：不需要和其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，分代能达到更好的收集效果。

空间整合，避免内存碎片。

G1的垃圾回收模式有两种：Young GC 和Mixed GC（混合回收）。

### Young GC ###

该模式下，主要处理Eden->Survivor，Survivor->Old，Eden->Old等。和之前提到的年轻代GC算法没有太大区别，该阶段主要使用了复制等算法。

### Mixed GC： ###

主要针对年轻代和部分老年代区域进行回收。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>步骤</th> 
   <th>作用</th> 
   <th>是否需要STW</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>初始标记</td> 
   <td>标记GC Root直接关联的对象</td> 
   <td>是</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>并发标记</td> 
   <td>从GC Root做可达性分析，重新处理STAB记录下的并发时有引用修改的对象</td> 
   <td>否</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>最终标记</td> 
   <td>处理并发标记结束后仍遗留的SATB记录</td> 
   <td>是</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>筛选回收</td> 
   <td>回收效率计算；并进行GC</td> 
   <td>是</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

下图为初始标记示意图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAeXlzeA_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]

*  哪些可以作为GC Root直接关联的对象？  
    静态变量（上图左下角方法区中所示），方法的局部变量（可以理解成上图右侧GC回收线程开始的GC Root）。
 *  STW（停顿）如何体现？  
    上图左侧的系统线程处于“禁止运行”状态。
 *  G1的并行与并发如何体现？  
    并行：充分利用多核CPU资源。  
    并发：第二个步骤并发标记，在该阶段，垃圾回收线程和用户程序（上图左上角系统线程）并发执行。且由于是并发处理，可能会出现标记产生变动。
 *  并发标记阶段，如何区分哪些对象被访问过？  
    G1采用原始快照SATB（Snapshot At The Beginning）来实现，在GC开始时，对活着的对象进行一个快照。之后用三种颜色标记对象：**白色-未被访问过，黑色-已经被访问过且对象的所有引用也被扫描过了，灰色-已经被访问过，但对象至少有一个引用还没被扫描过。（引用的是白色）**

快照三色关系图示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAeXlzeA_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>GC前</th> 
   <th>GC后</th> 
   <th>是否会被回收</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>白色</td> 
   <td>白色</td> 
   <td>是-对象不可达</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>白色</td> 
   <td>黑色</td> 
   <td>否-安全</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>黑色</td> 
   <td>黑色</td> 
   <td>否-安全</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>灰色</td> 
   <td>黑色</td> 
   <td>否-安全</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 3、可预测的停顿 ###

G1追求低停顿，并且建立可预测的停顿时间模型。

（1）如何做？  
避免在整个堆中进行全区域的GC。G1维护一个Region的优先列表，按回收价值排序。

回收价值=回收所获得的空间大小/回收所需时间。

在GC时，优先回收价值最大的Region。这样在一定程度上保证了回收的效率。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>region</th> 
   <th>回收空间</th> 
   <th>回收所需时间</th> 
   <th>回收价值</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>RegionA</td> 
   <td>200ms</td> 
   <td>20MB</td> 
   <td>0.1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RegionB</td> 
   <td>1000ms</td> 
   <td>10MB</td> 
   <td>0.01</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>…</td> 
   <td>…</td> 
   <td>…</td> 
   <td>…</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

（2）G1如何拿到各个Region的回收价值？（包括：预计回收空间、回收所需时间等）  
G1内部收集每个Region回收耗时，再根据历史数据的偏差、置信度等统计数据，由哪些Region组成的回收集合才能达到期望停顿值之内的最高收益。

[JVM_2_GC]: https://blog.csdn.net/u010066934/article/details/51298328
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