Garbage First (G1) GC垃圾回收器：区域化分代式【图文】

梦里梦外; 2023-02-28 15:23 17阅读 0赞

**1、问：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?**

**答：（1）原因就在于应用程序所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-First)垃圾回收器是在Java7 update 4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（最新的是ZGC）。**

**（2）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( pauseetime)，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的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。**

**2、问：为什么名字叫做Garbage First (G1)呢?**

**答：（1）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。**

**（2）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**。

**（3）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)** 。  
  
**3、G1 (Garbage 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。**  
  
**4、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)，JDK14完全清除掉了。G1在jdk8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用-XX: +UseG1GC来启用。G1在jdk9中成为了默认的垃圾回收器**  
  
**5、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:**

**（1）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;**

**（2）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;**

**（3）空间整合**  
**➢CMS:“标记-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。Regjion之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩(Mark- 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。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMDEyNzky_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**（4）可预测的停顿时间模型(即:软实时soft real-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CMS GC， 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。**  
  
**6、G1回收器的缺点：**  
**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。**  
  
**7、G1回收器的参数设置  
（1）-XX: +UseG1GC手动指定使用G1收集器执行内存回收任务。  
（2）-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。  
（3）-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  
（4）-XX: Parallel GCThread设置STw工作线程数的值。最多设置为8  
（5）-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。  
（6）-XX: Ini tiatingHeap0ccupancyPercent 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。**  
  
**8、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（-XX:+UseG1GC）  
第二步:设置堆的最大内存（-Xmx?m）  
第三步:设置最大的停顿时间（-XX: MaxGCPauseMillis）**

**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。**  
  
**9、G1回收器的适用场景**

**（1）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)**

**（2）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)。**

**（3）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;  
③GC停顿时间过长(长于0. 5至1秒)。**

**（4）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。**

**10、分区Region :化整为零**

**（1）首先：什么叫化整为零呢？其实就像聚是一团火，散是满天星这种，将整个堆空间细分为若干个小的区域。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMDEyNzky_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
**①** 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3日无识之间，**且为2的N次幂**，即1MB, 2MB, 4MB, 8MB, 16MB,32MB。**可以通过-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。**

**② 虽然还保留有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。**

**③ 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。**

**（2）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。**

**11、G1回收器垃圾回收过程**

**（1）G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节:**  
**① 年轻代GC (Young GC)  
② 老年代并发标记过程 (Concurrent Marking )  
③ 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- -种失败保护机制，即强力回收。)**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMDEyNzky_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
**顺时针，young gc -> young gc + concurrent mark -> Mixed GC顺序,进行垃圾回收。**

**（2）过程：  
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独占式收集器。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。

## G1回收器垃圾回收过程: Remembered Set ##

**1、问题**  
**（1）一个对象被不同区域引用的问题一个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?  
（2）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Minor GC的效率;**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMDEyNzky_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

**2、解决方法:**  
**➢无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set（记忆集）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（写屏障）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（卡表）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。**

## G1回收过程一 :年轻代GC ##

**回收前：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMDEyNzky_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**回收后：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMDEyNzky_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
**第一阶段，扫描根。以下过程了解大概就行）**  
根是指static变量指向的对象，正在执行的方法调用链条上的局部变量等。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( 脏卡表)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。  
**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。

## G1回收过程二 :并发标记过程 ##

**1.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。

**2.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。

**3.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)。  
**4.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-at-the-beginning (SATB)。

**5.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

**6.并发清理阶段**:识别并清理完全空闲的区域。

## G1回收过程三 :混合回收 ##

**1、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0ld GC，除了回收整个Young Region,还会回收一部分的01d Region。 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0ld Region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。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMDEyNzky_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
2、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\*\*-XX: G1MixedGCCountTarget\*\*设置)被回收。

3、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。

4、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。并且有一一个阈值会决定内存分段是否被回收，**-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。.

5、混合回收并不一定要进行8次。有一个**阈值-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。

## G1回收可选的过程四: Full GC ##

**1、G1的初衷就是要避免Fu1l 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-The-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。

**2、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。**

**3、导致G1Full GC的原因可能有两个:  
（1） Evacuation的时候没有足够的to- space来存放晋升的对象;  
（2）并发处理过程完成之前空间耗尽。**

## G1回收器优化建议 ##

**1、年轻代大小  
➢避免使用-Xmn或- 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**

**2、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。**

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