概述

  1. 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?
    • 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 update4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。
    • 与此同时，为了适应现在不断扩大的内存和不断増加的处理器数量，进一步降低暂停时间(pause time)，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. g1的一些常见知识
    • 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。
    • 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
    • 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)。
    • 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。
    • 在JDK1.7版本正式启用，移除了Experimental的标识，是JDK9以后的默认垃圾回收器，取代了CMS回收器以及Parallel+Parallel Old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JDK9中被标记为废弃(deprecated)。在jdk8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用-XX：UseG1GC来启用。

G1优缺点

1.优点：

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(因为Region)，也不再坚持固定大小和固定数量。

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  • 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；
  1. 空间整合
    • CMS：使用”标记-清除”算法、会产出内存碎片、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。Region内部是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩(Mark-Compact)算法，从一个Region复制到另外一个Region，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。
  2. 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在最好情況下的延时停顿，但是最差情况要好很多。

2.缺点

  1. 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。
  2. 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。

G1回收器的常见操作步骤

  1. 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
    • 第一步：开启G1垃圾收集器
    • 第二步：设置堆的最大内存
    • 第三步：设置最大的停顿时间
  2. G1中提供了三种垃圾回收模式： Young GC、 Mixed GC和Full GC，在不同的条件下被触发

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的増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：
    • 超过50%的Java堆被活动数据占用；
    • 对象分配频率或年代提升频率变化很大；
    • GC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。

G1内容介绍

  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32MB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. 一个Region有可能属于Eden， Survivor或者Old/ Tenured内存区域。但是Region只可能属于一个角色图中的E表示该Region属于Eden内存区域，S表示属于Survivor内存区域，O表示属于Old内存区域。图中空白的表示末使用的内存空间。

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  1. G1垃圾收集器还増加了一种新的内存区域，叫做Humongous(大对象)内存区域，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过0.5个Region，就放到H。

假设， 当前每个区间的大小定义为2m， 一个数组大小为1m （byte[110241024]）。 这个数组会被认定为大对象吗？是的，这是因为数组大小＝ 数组内部对象的头大小＋对象大小，即这个数组超过了1m, 即超过了区间大小的 50%，符合大对象的定义要求属于大对象。

  1. 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。
  2. 对象分配的两种方式

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  • 指针碰撞 ：对象的正常分配的方式。
  • TLAB :为每一个线程分配一块私有的区域，这样分配的时候就没有多线程影响，分配速度比较快

    回收过程

    G1GC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的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。——后备方案

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| 顺时针， young gc -> young gc + concurrent mark -> Mixed GC顺序，进行垃圾回收

3.5.7.1 回收过程说明
  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的年经代收集阶段是一个并行的独占式收集器（STW）。在年轻代回收期，G1GC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。
  4. 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。

回收细节

相关概念
  1. Remembered Set
  • 一个对象被不同区域引用的数个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？在我们前面讨论哪些对象是GC Roots的时候。存在一种对象在新生代，但是老年代中会不会有对象引用这个新生代对象的时候，这个新生代对象是不是也可以作为GC Roots呢？是不是还要扫描老年代中对象来判断时候存在这个引用呢。
  • 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

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  1. 解决办法
    • 无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set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**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。

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G1回收过程一：年轻代GC

  1. 概述
    • JVM启动时，G1先准备好Eden区，程序在运行过程中不断创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年轻代垃圾回收过程。
    • 年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区。
    • YGC时，首先G1停止应用程序的执行( )，G1创建回收集(Collection Set)，回收集是指需要被回收的内存分段的集合，年轻代回收过程的回收集包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。

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  1. 然后开始如下回收过程：
    • 第一阶段，扫描根
      • 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(见备注)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。

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  • 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阅值，年龄会加1，达到阀值会被会被复制到Old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， ONI 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回收器在垃圾清理后都会处理一下引用问题。
      1. 对于应用零序的引用值语句object field= object，JVM会在之前和之后执行特殊的操作在dirty card queue中入队一个保存了对引用信息的card，在年经代回收的时候，G1会对Dirty Eard Queues中所有的card进行处理，以更新RSet，保证RSet实时准确的反映引用关系
      2. 那为什么不在引用赋值语句处直接更新RSet呢?这是为了性的需要，RSet的理需要程同步，开销会很大，使用队列性会好很多

G1回收过程二：并发标记过程（也是垃圾回收）

  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GCc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。

这个阶段会触发一次年轻代GC，并且会回收一些内存满的老年代Region，另外一些没有满的老年代在混合回收中分批次回收

G1回收过程三：混合回收

  1. 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。
  2. 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。具体过程青参考上面的年轻代回收过程
  3. 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。
  4. 混合回收并不一定要进行8次。有一个阈值-XX：G1 Heapwastepercent，默认值为16%，意思是允许整个堆内存中有16%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16%，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

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可选过程 Full GC

  1. G1的初衷就是要避免Full 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FullGC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，这种情况可以通过増大内存解决。
  3. 导致G1Full GC的原因可能有两个
    • Evacuation的时候没有足够的to- space来存放晋升的对象：
    • 并发处理过程完成之前空间耗尽

3.5.8.6 G1回收过程：补充

从Oracle官方透露出来的信息可获知，回收阶段(Evacuation)其实本也有想过设计成与用户程序一起并发执行，但这件事情做起来比较复杂，考虑到G1只是回收一部分Region，停顿时间是用户可控制的，所以并不迫切去实现，而选择把这个特性放到了G1之后出现的低延迟垃圾收集器(即ZGC)中。另外，还考虑到G1不是仅仅面向低延迟，停顿用户线程能够最大幅度提高垃圾收集效率，为了保证吞吐量所以才选择了完全暂停用户线程的实现方案。

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9%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。

G1 垃圾回收器参数

jdk9 以后G1 就成为了默认的垃圾回收器了。所以G1 的设置和参数调优也很重要。

G1 垃圾回收器的场景

G1 的首要目标是为需要大量内存的系统提供一个保证 GC 低延迟的解决方案 ，也就是说堆内存在 6GB 及以上，稳定和可预测的暂停时间小于 0.5 秒。
如果应用程序具有如下的一个或多个特征，那么将垃圾收集器从 CMS 或 ParallelOldGC 切 换到 G1 将会大大提升性能。

G1回收器的参数设置

  • -XX:+UseG1GC 手动指定使用G1收集器执行内存回收任务(JDK9以后默认，就不用专门设置)。
  • -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。
  • -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
  • -XX:ParallelGCThread 设置STW工作线程数的值。最多设置为8
  • -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。
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 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。

通用垃圾回收器参数配置

日志

  • -XX:+PrintGCDetails

    运行时输出日志

  • -Xloggc

    将日志以文件的形式保存下来 如 运行选项 -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc -Xloggc:gc.log

GC 相关

  • -XX:+UseParallelGC

表示当我们没有指定 GC 时， 由于 JDK 采用的是 JDK8 ，所以默认采 用的是 ParallelGC （第 2 章介绍过， 可能从 JDK9 开始会默认为 Gl GC ） 。

  • -XX:+UseG1GC

使用 G1 GC 垃圾回收器

  • 日志组合选项

    1. -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc -Xloggc:gc.log -XX:+UseG1GC -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime

  • -XX:ConcGCThreads

    设置与 Java 应用程序线程并行执行的 GC 线程数量

    1. -XX:ConcGCThreads=4

  • -XX:G1 HeapRegionSize

Region 的大小默认为堆大小的 112000 ，也可以设置为 lMB 、 2MB、4MB 、8MB 、16MB ，以及 32MB ，这六个划分档次

G1垃圾回收算法

特点：

  • 并发收集
  • 压缩空闲空间不会延长GC的暂停时间
  • 更易预测的GC 暂停时间
  • 适用于不需要实现很高吞吐量的场景