JVM - G1

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什么是G1

Garbage-First收集器是一个并行、并发和增量压缩低停顿的垃圾收集器。

G1的Java堆布局和HotSpot VM中其他垃圾收集器有着极大的不同，它将Java的堆分成相同的块(称为区域，Region)。

G1也是分代的，但整体上没有划分成新生代和老年代。相反，每代是一组(可能不连续)的Region，这使得它可以灵活地调整新生代。

为什么需要了解G1？

因为G1是JDK 11默认的垃圾收集器，而JDK 11是目前Java最近的LTS。所以还是有必要了解一下G1。

延迟与吞吐量指标

在系统设计的过程必须考虑系统的响应能力(低延迟)与吞吐量两个指标。

• 低延迟：指系统从接受到请求到返回相应数据的速度，简单理解应用以多快的速度返回请求的数据，例如以多快的速度(ms)打开一个网页。对于面对响应能力的应用来说，长时间的停顿是不可接受的。

• 吞吐量：指系统在某个指定的时间范围内能够处理的最大工作量，比如每秒钟完成了多少次数据库删除或者查询。对于面对吞吐量的应用来讲，较长的停顿时间是能够接受的，高吞吐量应用关注的是系统处理能力
  这两个指标往往是成对出现的，往往是为了满足一个而不得不牺牲另外一个。

G1特点

• 低延迟优先，即主要侧重于响应能力；

• 与CMS相同的地方在于，它们都属于并发收集器，在大部分的收集阶段都不需要挂起应用程序；

• 更精确的预测GC停顿时间，可以根据-XX:MaxGCPauseMillis参数指定停顿时间；

• 收缩空闲空间不会造成由长GC引起的应用停顿时间；

• G1没有CMS的碎片化问题（或者说不那么严重）。

G1内存区域是怎么划分的

G1 将整个堆划分为一个个大小相等的小块（每一块称为一个Region），每一块的内存是连续的。Region的大小可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize指定，若未指定则设置默认值：最小Region为1M、最大为32M、默认Region个数为2048个。

和分代算法一样，G1中每个块也会充当Eden、Survivor、Old 三种角色，但是它们不是固定的，这使得内存使用更加地灵活。

H表示Humongous。从字面上就可以理解表示大的对象（下面简称H对象）。当分配的对象大于或等于Region大小的一半的时候就会被认为是巨型对象。H对象默认分配在老年代，可以防止GC的时候大对象的内存拷贝。如果发现堆内存容不下H对象的时候，会触发一次GC操作。

执行垃圾收集时，和CMS一样，G1收集线程在标记阶段和应用程序线程并发执行，标记结束后，G1也就知道哪些区块基本上是垃圾，存活对象极少，G1会先从这些区块下手，因为从这些区块能很快释放得到很大的可用空间，这也是为什么G1被取名为Garbage-First的原因。

RSet和Card Table

在进行Young GC的时候，Young区的对象可能还存在Old区的引用，这就是跨代引用的问题。

为了解决Young GC的时候，扫描整个老年代，G1引入了Card Table和Remember Set的概念，基本思想就是用空间换时间。

这两个数据结构是专门用来处理Old区到Young区的引用，相关Old区的对象将被存储在这两个数据结构中，用这两个数据结构空间，避免了Yong GC扫描整个老年代，这就是用空间换时间

这两个数据结构是专门用来处理Old区到Young区的引用。Young区到Old区的引用则不需要单独处理，因为Young区中的对象本身变化比较大，没必要浪费空间去记录下来。

• RSet：全称Remembered Sets, 用来记录外部指向本Region的所有引用，每个Region维护一个RSet。

• Card: JVM将内存划分成了固定大小的Card。这里可以类比物理内存上page的概念。

下图展示的是RSet与Card的关系。每个Region被分成了多个Card，其中绿色部分的Card表示该Card中有对象引用了其他Card中的对象，这种引用关系用蓝色实线表示。

RSet其实是一个HashTable，Key是Region的起始地址，Value是Card Table （卡表，字节数组）,字节数组下标表示Card的空间地址，当该地址空间被引用的时候会被标记为dirty_card(脏卡)。而在Yong GC的过程中，垃圾收集器只会在脏卡中扫描老年代-新生代引用。

对象分配策略

对象的分配策略，分为3个阶段：

1. TLAB(Thread Local Allocation Buffer)线程本地分配缓冲区

2. Eden区中分配

3. 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可能快的分配出来。如果对象在一个共享的空间中分配，我们需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，每一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，线程之间不再需要进行任何的同步。

对TLAB空间中无法分配的对象，JVM会尝试在Eden空间中进行分配。如果Eden空间无法容纳该对象，就只能在老年代中进行分配空间。

三种GC

Yong GC

Eden空间耗尽时会被触发，回收的是所有年轻代的Region。

年轻代的垃圾收集和其它收集器相差不大，都是采用复制算法，把对象复制到Survivor区，或晋升至Old区（达到晋升年龄或者Survivor空间不够）。不同的是，G1进行一次Yong GC后，会基于历史Yong GC统计信息和用户定义的期望停顿时间，调整Eden区和Survivor区的大小。

E区的对象会移动到S区，当S区空间不够的时候，E区的对象会直接晋升到O区，同时S区的数据移动到新的S区，如果S区的部分对象到达一定年龄，会晋升到O区。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行

上面说到在Yong GC过程中会出现 跨代引用问题，不过G1通过RSet和Card两种数据结构，以空间换去时间的处理方案解决此问题，具体过程可参考上一小节。

Young GC的阶段：

1. 根扫描：静态和本地对象被扫描

2. 更新RS：处理dirty card队列更新RS

3. 处理RS：检测从年轻代指向年老代的对象

4. 阶段4：对象拷贝：拷贝存活的对象到survivor/old区域

5. 处理引用队列：软引用，弱引用，虚引用处理

Mix GC

当old区Heap的对象占总Heap的比例超过InitiatingHeapOccupancyPercent之后，就会开始并发标记, 完成了并发标记后，G1会从Young GC切换到Mixed GC, 在Mixed GC中，会回收所有的年轻代的Region和部分老年代的Region。

Mix GC不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老年代分区。

Mix GC步骤分2步：
1. 全局并发标记（global concurrent marking）

2. 拷贝存活对象（evacuation）
拷贝（Evacuation）阶段是STW（Stop The World）的。它负责把一部分Region里的活对象拷贝到空Region里去（并行拷贝），然后回收原本的Region的空间。

Evacuation阶段可以自由选择任意多个Region来独立收集,构成收集集合（collection set，简称CSet），CSet集合中Region的选定依赖于上文中提到的停顿预测模型，该阶段并不evacuate所有有活对象的Region，只选择收益高的少量Region来Evacuate，这种暂停的开销就可以（在一定范围内）可控。

混合垃圾回收周期会持续进行，直到几乎所有的被标记出来的分区（垃圾占比大的分区）都得到回收，然后恢复到常规的年轻代垃圾收集，最终再次启动并发标记。

Full GC

当Mixed GC的速度赶不上应用程序申请内存的速度的时候，Mixed G1就会降级到Full GC，使用的是Serial GC。Full GC会导致长时间的STW，应该要尽量避免。

还记得在之前的文章中介绍过的CMF吗？在CMS中叫做Concurrent Mode Failure, 在G1中称为Allocation Failure。

一张完整收集过程图：

哪些情况会导致Full GC？如何避免？

1. Allocation Failure：G1并发标记期间，如果在标记结束前，老年代被填满，G1会放弃标记。这个时候说明：

• 堆需要增加了

• 或者需要调整并发周期，如增加并发标记的线程数量，让并发标记尽快结束

• 或者就是更早地进行并发标记，默认是整堆内存的 45% 被占用就开始进行并发标记。

2. 晋升失败：并发周期结束后，是混合垃圾回收周期，伴随着年轻代垃圾收集，进行清理老年代空间，如果这个时候清理的速度小于消耗的速度，导致老年代不够用，那么会发生晋升失败。

说明混合垃圾回收需要更迅速完成垃圾收集，也就是说在混合回收阶段，每次年轻代的收集应该处理更多的老年代已标记区块。

3. 疏散失败：年轻代垃圾收集的时候，如果Survivor和Old区没有足够的空间容纳所有的存活对象。这种情况肯定是非常致命的，因为基本上已经没有多少空间可以用了，这个时候会触发Full GC也是很合理的。

最简单的就是增加堆大小

4. 大对象分配失败:

我们应该尽可能地不创建大对象，尤其是大于一个Region大小的那种对象。

常见的参数设置

END

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