深刻理解Java G1垃圾收集器

一，什么是垃圾回收

垃圾回收的基本步骤，回收的步骤有2步：

• 查找内存中再也不使用的对象。
• 释放这些对象占用的内存。

1,查找内存中再也不使用的对象

引用计数法

引用计数法就是若是一个对象没有被任何引用指向，则可视之为垃圾。这种方法的缺点就是不能检测到环的存在。

2.根搜索算法

根搜索算法的基本思路就是经过一系列名为”GC Roots”的对象做为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证实此对象是不可用的。

2. 释放这些对象占用的内存

1.标记-复制

它将可用内存容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块用完以后，就将还存活的对象复制到另一块上面，而后在把已使用过的内存空间一次理掉。它的优势是实现简单，效率高，不会存在内存碎片。缺点就是须要2倍的内存来管理。

2.标记-清理

标记清除算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出须要回收的对象，标记完成以后统一清除对象。它的优势是效率高，缺点是容易产生内存碎片。

3.标记-整理

标记操做和“标记-清理”算法一致，后续操做不仅是直接清理对象，而是在清理无用对象完成后让全部 存活的对象都向一端移动，并更新引用其对象的指针。由于要移动对象，因此它的效率要比“标记-清理”效率低，可是不会产生内存碎片。

二，了解G1

开发人员仅仅须要声明如下参数便可：

-XX:+UseG1GC -Xmx32g -XX:MaxGCPauseMillis=200

其中-XX:+UseG1GC为开启G1垃圾收集器，-Xmx32g 设计堆内存的最大内存为32G，-XX:MaxGCPauseMillis=200设置GC的最大暂停时间为200ms。若是咱们须要调优，在内存大小必定的状况下，咱们只须要修改最大暂停时间便可。

G1将新生代，老年代的物理空间划分取消了。

这样咱们不再用单独的空间对每一个代进行设置了，不用担忧每一个代内存是否足够。

取而代之的是，G1算法将堆划分为若干个区域（Region），它仍然属于分代收集器。不过，这些区域的一部分包含新生代，新生代的垃圾收集依然采用暂停全部应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间。老年代也分红不少区域，G1收集器经过将对象从一个区域复制到另一个区域，完成了清理工做。这就意味着，在正常的处理过程当中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

在G1中，还有一种特殊的区域，叫Humongous区域。 若是一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象，默认直接会被分配在年老代，可是若是它是一个短时间存在的巨型对象，就会对垃圾收集器形成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。若是一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

PS：在java 8中，持久代也移动到了普通的堆内存空间中，改成元空间。

对象分配策略

提及大对象的分配，咱们不得不谈谈对象的分配策略。它分为3个阶段：

• TLAB(Thread Local Allocation Buffer)线程本地分配缓冲区
• Eden区中分配
• Humongous区分配

TLAB为线程本地分配缓冲区，它的目的为了使对象尽量快的分配出来。若是对象在一个共享的空间中分配，咱们须要采用一些同步机制来管理这些空间内的空闲空间指针。在Eden空间中，每个线程都有一个固定的分区用于分配对象，即一个TLAB。分配对象时，线程之间再也不须要进行任何的同步。

对TLAB空间中没法分配的对象，JVM会尝试在Eden空间中进行分配。若是Eden空间没法容纳该对象，就只能在老年代中进行分配空间。

最后，G1提供了两种GC模式，Young GC和Mixed GC，两种都是Stop The World(STW)的。下面咱们将分别介绍一下这2种模式。

三，G1 Young GC

Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。在这种状况下，Eden空间的数据移动到Survivor空间中，若是Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。最终Eden空间的数据为空，GC中止工做，应用线程继续执行。

这时，咱们须要考虑一个问题，若是仅仅GC 新生代对象，咱们如何找到全部的根对象呢？ 老年代的全部对象都是根么？那这样扫描下来会耗费大量的时间。因而，G1引进了RSet的概念。它的全称是Remembered Set，做用是跟踪指向某个heap区内的对象引用。

在CMS中，也有RSet的概念，在老年代中有一块区域用来记录指向新生代的引用。这是一种point-out，在进行Young GC时，扫描根时，仅仅须要扫描这一块区域，而不须要扫描整个老年代。

但在G1中，并无使用point-out，这是因为一个分区过小，分区数量太多，若是是用point-out的话，会形成大量的扫描浪费，有些根本不须要GC的分区引用也扫描了。因而G1中使用point-in来解决。point-in的意思是哪些分区引用了当前分区中的对象。这样，仅仅将这些对象当作根来扫描就避免了无效的扫描。因为新生代有多个，那么咱们须要在新生代之间记录引用吗？这是没必要要的，缘由在于每次GC时，全部新生代都会被扫描，因此只须要记录老年代到新生代之间的引用便可。

须要注意的是，若是引用的对象不少，赋值器须要对每一个引用作处理，赋值器开销会很大，为了解决赋值器开销这个问题，在G1 中又引入了另一个概念，卡表（Card Table）。一个Card Table将一个分区在逻辑上划分为固定大小的连续区域，每一个区域称之为卡。卡一般较小，介于128到512字节之间。Card Table一般为字节数组，由Card的索引（即数组下标）来标识每一个分区的空间地址。默认状况下，每一个卡都未被引用。当一个地址空间被引用时，这个地址空间对应的数组索引的值被标记为”0″，即标记为脏被引用，此外RSet也将这个数组下标记录下来。通常状况下，这个RSet实际上是一个Hash Table，Key是别的Region的起始地址，Value是一个集合，里面的元素是Card Table的Index。

Young GC 阶段：

• 阶段1：根扫描 静态和本地对象被扫描
• 阶段2：更新RS 处理dirty card队列更新RS
• 阶段3：处理RS 检测从年轻代指向年老代的对象
• 阶段4：对象拷贝 拷贝存活的对象到survivor/old区域
• 阶段5：处理引用队列 软引用，弱引用，虚引用处理

四，G1 Mix GC

Mix GC不只进行正常的新生代垃圾收集，同时也回收部分后台扫描线程标记的老年代分区。 它的GC步骤分2步：

• 全局并发标记（global concurrent marking）
• 拷贝存活对象（evacuation） 在进行Mix GC以前，会先进行global concurrent marking（全局并发标记）。 global concurrent marking的执行过程是怎样的呢？

在G1 GC中，它主要是为Mixed GC提供标记服务的，并非一次GC过程的一个必须环节。global concurrent marking的执行过程分为五个步骤：

• 初始标记（initial mark，STW） 在此阶段，G1 GC 对根进行标记。该阶段与常规的 (STW) 年轻代垃圾回收密切相关。
• 根区域扫描（root region scan） G1 GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，而且只有完成该阶段后，才能开始下一次 STW 年轻代垃圾回收。
• 并发标记（Concurrent Marking） G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，能够被 STW 年轻代垃圾回收中断
• 最终标记（Remark，STW） 该阶段是 STW 回收，帮助完成标记周期。G1 GC 清空 SATB 缓冲区，跟踪未被访问的存活对象，并执行引用处理。
• 清除垃圾（Cleanup，STW） 在这个最后阶段，G1 GC 执行统计和 RSet 净化的 STW 操做。在统计期间，G1 GC 会识别彻底空闲的区域和可供进行混合垃圾回收的区域。清理阶段在将空白区域重置并返回到空闲列表时为部分并发。

三色标记算法

提到并发标记，咱们不得不了解并发标记的三色标记算法。它是描述追踪式回收器的一种有用的方法，利用它能够推演回收器的正确性。 首先，咱们将对象分红三种类型的。

• 黑色:根对象，或者该对象与它的子对象都被扫描
• 灰色:对象自己被扫描,但还没扫描完该对象中的子对象
• 白色:未被扫描对象，扫描完成全部对象以后，最终为白色的为不可达对象，即垃圾对象

当GC开始扫描对象时，按照以下图步骤进行对象的扫描：

根对象被置为黑色，子对象被置为灰色。

继续由灰色遍历,将已扫描了子对象的对象置为黑色。

遍历了全部可达的对象后，全部可达的对象都变成了黑色。不可达的对象即为白色，须要被清理。

这看起来很美好，可是若是在标记过程当中，应用程序也在运行，那么对象的指针就有可能改变。这样的话，咱们就会遇到一个问题：对象丢失问题

咱们看下面一种状况，当垃圾收集器扫描到下面状况时

这时候应用程序执行了如下操做：

A.c=C

B.c=null

这样，对象的状态图变成以下情形：

这时候垃圾收集器再标记扫描的时候就会下图成这样：

很显然，此时C是白色，被认为是垃圾须要清理掉，显然这是不合理的。那么咱们如何保证应用程序在运行的时候，GC标记的对象不丢失呢？有以下2中可行的方式：

• 在插入的时候记录对象
• 在删除的时候记录对象 恰好这对应CMS和G1的2种不一样实现方式：

在CMS采用的是增量更新（Incremental update），只要在写屏障（write barrier）里发现要有一个白对象的引用被赋值到一个黑对象 的字段里，那就把这个白对象变成灰色的。即插入的时候记录下来。

在G1中，使用的是STAB（snapshot-at-the-beginning）的方式，删除的时候记录全部的对象，它有3个步骤：

1，在开始标记的时候生成一个快照图标记存活对象

2，在并发标记的时候全部被改变的对象入队（在write barrier里把全部旧的引用所指向的对象都变成非白的）

3，可能存在游离的垃圾，将在下次被收集

这样，G1到如今能够知道哪些老的分区可回收垃圾最多。 当全局并发标记完成后，在某个时刻，就开始了Mix GC。这些垃圾回收被称做“混合式”是由于他们不只仅进行正常的新生代垃圾收集，同时也回收部分后台扫描线程标记的分区。混合式垃圾收集以下图：

混合式GC也是采用的复制的清理策略，当GC完成后，会从新释放空间。

五，调优实践

MaxGCPauseMillis调优

前面介绍过使用GC的最基本的参数：

-XX:+UseG1GC -Xmx32g -XX:MaxGCPauseMillis=200

前面2个参数都好理解，后面这个MaxGCPauseMillis参数该怎么配置呢？这个参数从字面的意思上看，就是容许的GC最大的暂停时间。G1尽可能确保每次GC暂停的时间都在设置的MaxGCPauseMillis范围内。 那G1是如何作到最大暂停时间的呢？这涉及到另外一个概念，CSet(collection set)。它的意思是在一次垃圾收集器中被收集的区域集合。

Young GC：选定全部新生代里的region。经过控制新生代的region个数来控制young GC的开销。 Mixed GC：选定全部新生代里的region，外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的若干老年代region。在用户指定的开销目标范围内尽量选择收益高的老年代region。 在理解了这些后，咱们再设置最大暂停时间就好办了。 首先，咱们能容忍的最大暂停时间是有一个限度的，咱们须要在这个限度范围内设置。可是应该设置的值是多少呢？咱们须要在吞吐量跟MaxGCPauseMillis之间作一个平衡。若是MaxGCPauseMillis设置的太小，那么GC就会频繁，吞吐量就会降低。若是MaxGCPauseMillis设置的过大，应用程序暂停时间就会变长。G1的默认暂停时间是200毫秒，咱们能够从这里入手，调整合适的时间。

其余调优参数

-XX:G1HeapRegionSize=n

设置的 G1 区域的大小。值是 2 的幂，范围是 1 MB 到 32 MB 之间。目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。

-XX:ParallelGCThreads=n

设置 STW 工做线程数的值。将 n 的值设置为逻辑处理器的数量。n 的值与逻辑处理器的数量相同，最多为 8。

若是逻辑处理器不止八个，则将 n 的值设置为逻辑处理器数的 5/8 左右。这适用于大多数状况，除非是较大的 SPARC 系统，其中 n 的值能够是逻辑处理器数的 5/16 左右。

-XX:ConcGCThreads=n

设置并行标记的线程数。将 n 设置为并行垃圾回收线程数 (ParallelGCThreads) 的 1/4 左右。

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认占用率是整个 Java 堆的 45%。

避免使用如下参数：

避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其余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。

触发Full GC

在某些状况下，G1触发了Full GC，这时G1会退化使用Serial收集器来完成垃圾的清理工做，它仅仅使用单线程来完成GC工做，GC暂停时间将达到秒级别的。整个应用处于假死状态，不能处理任何请求，咱们的程序固然不但愿看到这些。那么发生Full GC的状况有哪些呢？

并发模式失败 G1启动标记周期，但在Mix GC以前，老年代就被填满，这时候G1会放弃标记周期。这种情形下，须要增长堆大小，或者调整周期（例如增长线程数-XX:ConcGCThreads等）。

晋升失败或者疏散失败 G1在进行GC的时候没有足够的内存供存活对象或晋升对象使用，由此触发了Full GC。能够在日志中看到(to-space exhausted)或者（to-space overflow）。解决这种问题的方式是：

a,增长 -XX:G1ReservePercent 选项的值（并相应增长总的堆大小），为“目标空间”增长预留内存量。

b,经过减小 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提早启动标记周期。

c,也能够经过增长 -XX:ConcGCThreads 选项的值来增长并行标记线程的数目。

巨型对象分配失败 当巨型对象找不到合适的空间进行分配时，就会启动Full GC，来释放空间。这种状况下，应该避免分配大量的巨型对象，增长内存或者增大-XX:G1HeapRegionSize，使巨型对象再也不是巨型对象。

因为篇幅有限，G1还有不少调优实践，在此就不一一列出了，你们在日常的实践中能够慢慢探索。最后，期待java 9能正式发布，默认使用G1为垃圾收集器的java性能会不会又提升呢？