JVM 实践：G1 垃圾收集器

2018-06-14

0.概要

写在开头：当前文章，都是针对 JDK8 中 G1 的实现，进行描述的

G1 垃圾收集器的详解，几个方面：

1. 工作原理：
   1. 内存特点
   2. GC：
      1. young gc
      2. mixed gc
      3. full gc
2. 实践：
   1. 常用参数
   2. 常见问题

1.内存特点：G1

内存特点：

• 粒度：Region，通过参数，可以设置大小
• 分代策略：仍然是分代回收，新生代 + 老年代
• Region 分类：
  • Eden
  • Survivor
  • Old
  • Humongous：大对象 Region，单个对象超过 region 的 50%，如果超过一个 Region，则，会占用连续的 Region
  • Free：空闲 Region、可用 Region
• Region 的分类，动态可变：Region 被释放后，是 Free Region，后续可能被作为 Eden or Survivor or Old or Humongous 分区使用。

关联术语：

• CSet：Collection Set，待回收的 Region 集合
• RSet：Remembered Set，引用当前 Region 的其他 Region集合，是 points-in的，每个 Region 都有一个 RSet；在 JDK10 中，只有部分 Region 才存在 RSet。

关键用途：

• RSet：指向「当前 Region」 的「其他 Region 集合」，有两个典型应用场景
  • young gc：指向「Eden」和「Survivor」Region 的 「Old」和「Humongous」Region 集合，避免全堆扫描
  • mixed gc：确定「Old」Region 之间的相关引用，确定 Region 的回收价值

2.GC：G1

G1 垃圾收集器，具体的 GC，分为下述几种：

1. young gc：标记-复制
   1. 「新生代」的垃圾回收
   2. CSet 中，只包含 Eden、Survivor
2. mixed gc：标记-复制
   1. 「新生代」和「部分老年代」的垃圾回收
   2. CSet 中，包含 Eden、Survivor、部分 Old、Humongous
3. full gc：
   1. G1 gc 失败，退化为 Serial 方式
   2. 单线程全堆扫描，对整个 Heap 进行垃圾回收，涵盖所有的「新生代」和「老年代」

特别说明：

G1 垃圾收集器，GC 都是针对 CSet 进行的

2.1.Young GC

Young GC，关键细节：

• 针对「年轻代」的 Eden、Survivor 分区，进行 GC
• 存活的对象，放置在 「新的 Survivor 分区」或「Old 分区」
• 触发的时机：Eden 分区空间不足，无法为普通对象分配存储空间（非大对象）

Young GC 的执行过程：就是「标记-复制」算法

1. 根扫描
2. 确定「老年代」对「新生代」的引用，避免全堆扫描：
   1. 根据 card table，扫描 dirty 部分，更新 RSet
   2. 新生代中，根据 RSet，确定 Old 对 Eden 和 Survivor 对象的引用
3. 标记复制：将存活对象，放入到 Survivor 区 或者 Old 区
   1. 新的 Survivor 区：是 Free Region 升级来的
   2. 被释放的 Eden 和 Survivor 区：会标记为 Free Region 空白的可用分区

Tips：

• G1 在 Young GC 过程中，是串行？并行？并发？是否会暂停工作线程？
  • Re：可以多线程，就看怎么设置了，会暂停工作线程，不是并发的。

2.2.Mixed GC

Mixed GC，关键细节：

• 针对「年轻代」和「部分老年代」的 GC，具体 Eden、Survivor、Old、Humongous Region
• 存活的对象，放置在「新的 Survivor 分区」或「Old 分区」
• 触发的时机：「并发标记周期」中，完成了最后的「筛选回收」阶段后，标记出了 X 的 Old Region 分区

Mixed GC 的执行过程：就是「标记-复制」算法

1. 并发标记周期：针对 Old 分区，进行标记
   1. 初始标记：依赖 Young GC
   2. 扫描根分区：如果有 Young GC，则，Young GC block 阻塞等待
   3. 并发标记：
      1. 可以并发进行 Young GC
      2. 结束后，并不会进入 Young GC 阶段
   4. 重新标记：不能进行 Young GC
   5. 筛选回收：结束后，进入 mixed 阶段
2. Mixed GC，本质就是对 CSet 中 Region 的回收
   1. CSet：在 mixed 模式下，其中涵盖了 Eden、Survivor、Old、Humongous Region
   2. 筛选回收阶段：针对 Old 分区
      1. 完全可回收的 Region：不存在存活的对象，直接回收 Region，标记为 Free Region 可用分区
      2. 存在部分存活的对象的 Region：标记分数后，追加在 C-Set 中

实际上，可以认为是 2 条线：

• Young GC：
  • 基于 C-Set，进行 Region 回收，本质上，只针对「年轻代」进行回收；
  • 如果 C-Set 中，涵盖了标记为 X 的 Old Region，则，称为 Mixed GC，此时，既针对「年轻代」，也针对「部分老年代」Region 进行回收
• 并发标记周期：标记出 Old Region，哪些需要回收，标记为 X
  • 完成「并发标记阶段」后，Young GC，自动升级为 mixed 模式，即，Mixed GC
  • Mixed GC：基于 C-Set，进行 Region 回收，只不过，此时，C-Set 中，涵盖了一部分 Old Region

1 个插图：并发标记周期的说明

• 并发标记周期：
  • 触发时机：「老年代」分区的占比，达到阈值
  • 整个周期说明
• Mixed GC：模式生效点、失效点
  • 生效点：存在 X 状态的 Old Region，即，标记并发周期的「筛选回收」阶段结束后，再次触发的 GC，就是 Mixed GC
  • 失效点：完成所有的 X 状态 Old Region 的清理后，会进入 Young GC 状态
• 补充说明：
  • 部分 X 状态的 Old Region：每次 Mixed GC，只有部分 X 状态的 Old Region 会被放入 C-Set
  • 完整 C-Set 都被回收：C-Set 中所有 Region，每次 GC 都会被回收

特别说明：

G1的收集都是STW的；

但「年轻代」和「老年代」的 GC 界限模糊，采用了混合(mixed)收集的方式。

Young GC，可能快速切换为 Mixed GC，只要 X 标记的 Old Region 存在和消失，就会自动升级 or 降级；

这样，即使堆内存很大时，也可以限制收集 Region 的范围，从而降低停顿，达到设置的「暂停时间的目标」。

2.3.其他

2.3.1.启发式算法

启发式算法：根据执行状态，动态调整

1. 设置了「暂停时间的目标」（默认 200ms），G1 会自动调整「年轻代」的空间大小
2. 如果显式设置「年轻代」的大小，则，用户设置的「暂停时间的目标」会自动失效

2.3.2.SATB，增量式的标记算法

G1 垃圾收集器，采用了 SATB（Snapshot At The Beginning），初始快照，增量式的标记算法，具体：

1. 标记开始时：Region 创建一个 Snapshot
2. 存量标记：只针对 Snapshot 中存活的对象，进行标记
3. 增量标记：Snapshot 之后，新生成的对象，都被标记为「存活对象」，此次不回收，下次标记再说

2.3.3.G1：适用场景

就目前而言、CMS还是默认首选的GC策略、可能在以下场景下G1更适合：

1. 多核+大内存：服务端多核CPU、JVM内存占用较大的应用（至少大于4G）
2. 业务多碎片：应用在运行过程中会产生大量内存碎片、需要经常压缩空间
3. 防止高并发雪崩：想要更可控、可预期的GC停顿周期；防止高并发下应用雪崩现象

2.4.小结

G1 垃圾收集器，围绕其 Young GC 和 Mixed GC，从整体宏观的角度上，跟之前所有的「串行」「并行」「并发」的垃圾收集器，存在本质的差异：

1. 之前的垃圾收集器，要实现 2 个基本步骤：
   1. 步骤1：找到需要回收的对象
   2. 步骤2：回收
   3. Note：上面两个步骤「步骤2」依赖「步骤1」，并且串行进行
2. G1 垃圾收集器，在「老年代」，把 2 个步骤「同时进行」：
   1. 找到需要回收的对象：
      1. 在找到需要回收的 Old Region 过程中，仍然可以同时「回收对象」，即 GC
      2. 找到需要回收的 Old Region 过程，称为「并发标记周期」
   2. 回收对象：
      1. 在「找需要回收的对象」过程中，可以持续并发的进行 GC，称为 Young GC，只会收「新生代」
      2. 「找需要回收的对象」过程结束后，再进行的 GC，称为 Mixed GC，会同时回收「新生代」和「部分老年代」

参考示意图：

3.实践

2 个方面：

1. 常用参数
2. 常见问题

TODO：

• 详解 JVM Garbage First(G1) 垃圾收集器
• G1 垃圾收集器调优

4.参考资料

• 详解 JVM Garbage First(G1) 垃圾收集器
• Garbage First G1收集器 理解和原理分析
• 深入理解G1垃圾收集器
• JVM G1混合回收（mixed GC）的一些理解=
• JVM性能调优实践——G1 垃圾收集器介绍篇（超详细）
• G1 垃圾收集器调优

原文地址：https://ningg.top/jvm-series-jvm-practice-jvm-gc-g1/