G1 GC，全稱Garbage-First Garbage Collector，從官網(wǎng)的描述中說(shuō)明G1是一種服務(wù)器端的垃圾收集器糙麦，應(yīng)用在多處理器和大容量?jī)?nèi)存環(huán)境中，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用高吞吐量的同時(shí)丛肮，盡可能的滿足垃圾收集暫停時(shí)間的要求（可預(yù)測(cè)停頓）喳资，停頓預(yù)測(cè)模型的意思是能夠支持指定在一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為M毫秒的時(shí)間片段內(nèi)消耗在垃圾收集上的時(shí)間大概率不超過(guò)N毫秒這樣的目標(biāo)。并且部分回收過(guò)程是和應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行腾供，采用復(fù)制和標(biāo)記整理算法來(lái)減少內(nèi)存碎片仆邓。

G1回收期與傳統(tǒng)的收集器不同的是，傳統(tǒng)的回收器要么是整個(gè)新生代（Minor GC）伴鳖，要么就是整個(gè)老年代（Major GC）要么是整個(gè)Java堆（Full GC）节值。而G1跳出這個(gè)邏輯，可以面向堆內(nèi)存中任何部分來(lái)組成回收集（Collection Set,CSet）進(jìn)行回收榜聂，衡量標(biāo)準(zhǔn)不再是它屬于哪一個(gè)分代搞疗，而是內(nèi)存哪塊區(qū)域存放的垃圾最多，回收收益最大须肆，這就是G1收集器的Mixed GC模式匿乃。雖然G1仍然保留新生代老年代的概念桩皿，但是新生代和老年代不再是固定不變的區(qū)域，它們都是一系列不用連續(xù)的動(dòng)態(tài)集合幢炸。

1.核心概念

（1）分區(qū)

傳統(tǒng)的GC收集器將連續(xù)的內(nèi)存空間劃分為新生代泄隔、老年代和永久代（JDK 8去除了永久代，引入了元空間Metaspace）宛徊，這種劃分的特點(diǎn)是各代的存儲(chǔ)地址是連續(xù)的佛嬉。

圖1

而G1將整個(gè)堆分為相同大小的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都可能是Eden區(qū)闸天、Survivor區(qū)或老年代暖呕，同類型的Region可以不連續(xù)。

圖2

還有一些分區(qū)標(biāo)明了H苞氮，表示巨型對(duì)象（humongous object湾揽，H-obj），它們代表大小大于等于region一半的對(duì)象（后面會(huì)繼續(xù)說(shuō)明H-obj的特點(diǎn)）笼吟。

（2）CardTable

Card Table是劃分堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)钝腺，將整個(gè)堆內(nèi)存劃分成一個(gè)個(gè)大小為512字節(jié)的Card，并維護(hù)一個(gè)Card Table來(lái)存儲(chǔ)每張Card的標(biāo)識(shí)位赞厕。Card Table是單字節(jié)數(shù)組艳狐，每一個(gè)元素可以用來(lái)標(biāo)示所在老年代Card中對(duì)象是否持有新生代Card中對(duì)象的引用，有持有則稱該老年代Card是Dirty Card皿桑。Card Table不是G1獨(dú)有的結(jié)構(gòu)毫目。

圖3

Card Table目的是回收新生代時(shí)減少老年代的全堆空間掃描，從而高效GC诲侮。在回收新生代的過(guò)程中镀虐，老年代對(duì)象可能引用新生代的對(duì)象，所以在GC Roots Tracing過(guò)程中就需要全堆掃描存活對(duì)象沟绪，這就導(dǎo)致回收新生代代價(jià)太高刮便。Card Table的引入可以解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橹恍枰贑ard Table中尋找Dirty Card绽慈，并加入GC Roots中恨旱，Dirty Card掃描后便會(huì)將其標(biāo)識(shí)位清空（普通Card）。

每次引用發(fā)生變化時(shí)都需要更新Card Table坝疼，一般采用post-write barrier（引用發(fā)生變化后的處理邏輯）和處理線程來(lái)更新維護(hù)Card Table搜贤。

（3）RSet

RSet全稱Remembered Set，這是一種抽象概念钝凶，用來(lái)輔助GC過(guò)程仪芒，在分代式GC時(shí)用于記錄從非收集部分（Old Generation）指向收集部分（Young Generation、Old Generation）的指針集合的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。RSet在Card Table的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的掂名，每個(gè)Region都有一份据沈，這個(gè)RSet記錄的是xx Region的xx Card指向RSet所在Region，這是一種"points-into"（誰(shuí)引用了我的對(duì)象）的結(jié)構(gòu)饺蔑，而Card Table是"points-out"（我引用了誰(shuí)的對(duì)象）的結(jié)構(gòu)锌介。因此，RSet是一個(gè)Hash Table膀钠，Key是別的Region的起始地址掏湾，Value是一個(gè)集合裹虫，里面的元素是別的Region的Card Table Index肿嘲。

舉例來(lái)說(shuō)，如果Region2的RSet里有一項(xiàng)的Key是Region1筑公，Value里有Index為1234的Card雳窟，意思是Region1的一個(gè)Card里有引用指向Region2。所以對(duì)Region2來(lái)說(shuō)匣屡，該RSet記錄的是“points-into”的關(guān)系封救，而Card Table仍然記錄了"points-out"的關(guān)系。

圖4

作用

在做YGC的時(shí)候捣作，除了Young Generation GC Root Tracing外誉结，只需要選定Young Generation Region的RSet作為根集，這些RSet記錄了Old->Young的跨代引用券躁，避免了掃描整個(gè)Old Generation Region惩坑。 而MixedGC的時(shí)候，Old Generation Region中記錄了Old->Old的RSet也拜，Young->Old的引用由掃描全部Young Generation Region得到以舒，這樣也不用掃描全部Old Generation Region。至于為什么RSet只記錄了Old->Old/Young引用是因?yàn)閅oung ?Generation的引用變化非常頻繁慢哈，GC時(shí)不如直接掃描Young ?Generation Region帶來(lái)的收益高（G1的YGC和MixedGC過(guò)程都會(huì)全盤(pán)掃描Young Generation Region）蔓钟。

每次引用發(fā)生變化都需要更新RSet，“引用發(fā)生變化”在程序中體現(xiàn)就是在給引用類型的字段賦值卵贱，如果每次給引用類型的字段賦值都要更新RSet滥沫，這帶來(lái)的額外開(kāi)銷實(shí)在太大，G1中采用post-write barrier和ConcurrentG1RefineThread實(shí)現(xiàn)了RSet的更新键俱。

（4）三色標(biāo)記法

基本算法

三色標(biāo)記法是一些垃圾收集器的標(biāo)記階段使用的算法佣谐，在GC Roots遍歷過(guò)程中，標(biāo)記出哪些對(duì)象是存活的方妖，哪些是垃圾（可回收）狭魂。

該算法將對(duì)象的狀態(tài)分成三種顏色：

白色：尚未訪問(wèn)過(guò)。

黑色：該對(duì)象已訪問(wèn)過(guò)，而且該對(duì)象所引用的其他對(duì)象也全部訪問(wèn)過(guò)了雌澄。

灰色：該對(duì)象已訪問(wèn)過(guò)斋泄，但是該對(duì)象所引用的其他對(duì)象尚未全部訪問(wèn)完。

假設(shè)現(xiàn)在有白镐牺、灰炫掐、黑三個(gè)集合（表示當(dāng)前對(duì)象的顏色），其遍歷訪問(wèn)過(guò)程為：

初始時(shí)睬涧，所有對(duì)象都在【白色集合】中募胃。

將GC Roots直接引用到的對(duì)象放入【灰色集合】中。

從灰色集合中獲取對(duì)象：將本對(duì)象引用到的其他對(duì)象全部挪到【灰色集合】中畦浓；將本對(duì)象放入【黑色集合】里面痹束。

重復(fù)步驟3，直至【灰色集合】為空時(shí)結(jié)束讶请。

結(jié)束后祷嘶，仍在【白色集合】的對(duì)象即為GC Roots不可達(dá)，可以進(jìn)行回收夺溢。

圖5

（5）Snapshot-At-The-Beginning(SATB)

在并發(fā)收集周期的第一個(gè)階段（初始標(biāo)記）是STW的论巍，會(huì)給所有的分區(qū)做個(gè)快照，后面的掃描都是按照這個(gè)快照進(jìn)行风响；在并發(fā)標(biāo)記周期的第二個(gè)階段嘉汰，并發(fā)標(biāo)記，這是收集線程和應(yīng)用線程同時(shí)進(jìn)行的状勤，這時(shí)候應(yīng)用線程就可能修改了某些引用的值鞋怀，導(dǎo)致上面那個(gè)快照不是完整的，因此G1就想了個(gè)辦法荧降，我把在這個(gè)期間對(duì)對(duì)象引用的修改都記錄動(dòng)作都記錄下來(lái)（有點(diǎn)像mysql的操作日志）接箫。

G1的SATB的設(shè)計(jì)使得重新標(biāo)記(remark)階段只需要掃描改動(dòng)的記錄，而CMS在remark階段需要重新掃描所有的線程棧和年輕代作為GC roots朵诫。

2.回收主要過(guò)程

G1主要包含的四種操作

（1）Young GC：Eden區(qū)域滿了后觸發(fā)辛友，并行收集整個(gè)新生代，且完全STW剪返。

（2）并發(fā)標(biāo)記周期：它的第一個(gè)階段初始化標(biāo)記和YGC一起發(fā)生废累，這個(gè)階段的目的就是找到回收價(jià)值最大的Region集合（垃圾很多，存活對(duì)象很少）脱盲，為接下來(lái)的Mixed GC服務(wù)邑滨。

（3）Mixed GC：回收所有年輕代的Region和部分老年代的Region，Mixed GC可能連續(xù)發(fā)生多次钱反。

（4）Full GC：非常慢掖看，會(huì)STW且回收所有類型的Region匣距。

2.1 Young GC

Young GC是STW的，在分配一般對(duì)象（非巨型對(duì)象）時(shí)哎壳，當(dāng)所有Eden Region使用達(dá)到最大閾值并且無(wú)法申請(qǐng)足夠內(nèi)存時(shí)毅待，會(huì)觸發(fā)一次Young GC。每次Young GC會(huì)回收所有Eden以及一個(gè)Survivor區(qū)归榕，并且將存活對(duì)象復(fù)制到Old區(qū)（涉及到晉升到老年代規(guī)則）以及另一個(gè)的Survivor區(qū)尸红。

Young GC一般過(guò)程：

掃描GC Roots根對(duì)象。

處理Dirty Card刹泄，更新RSet外里。ConcurrentG1RefineThread會(huì)對(duì)Dirty Card的分區(qū)進(jìn)行掃描更新日志緩沖區(qū)來(lái)更新RSet，但只會(huì)處理全局緩沖列表特石。作為補(bǔ)充盅蝗，所有被記錄但是還沒(méi)有被ConcurrentG1RefineThread處理的剩余緩沖區(qū)，會(huì)在該階段處理县匠，變成已處理緩沖區(qū)(Processed Buffers)风科。

掃描RSet撒轮，掃描RSet中所有Old區(qū)對(duì)掃描到的Young區(qū)引用乞旦，避免了Old區(qū)全掃描。

拷貝掃描出的存活的對(duì)象到Survivor/Old區(qū)题山，將待回收的Region全部加入CSet進(jìn)行回收兰粉。

Global Concurrent Marking

Global Concurrent Marking是為Mixed GC提供標(biāo)記服務(wù)的（一般會(huì)將Global Concurrent Marking包含在Mixed GC過(guò)程中，這里單獨(dú)拆開(kāi)描述）顶瞳，用來(lái)統(tǒng)計(jì)出收集收益最高的若干老年代Region玖姑。主要使用Region的bitmap結(jié)構(gòu)和TAMS指針來(lái)支持整個(gè)標(biāo)記過(guò)程，下節(jié)開(kāi)始會(huì)按照Global Concurrent Marking的四個(gè)步驟對(duì)兩個(gè)bitmap和兩個(gè)TAMS指針進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明慨菱。

四個(gè)步驟：

初始標(biāo)記（Initial Marking焰络，STW）

并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking）

最終標(biāo)記（Remark，STW）

清理階段（Cleanup）

bitmap結(jié)構(gòu)：prevBitmap和nextBitmap符喝。preBitmap記錄是上一輪Concurrent Marking后的老年代Region對(duì)象的標(biāo)記狀態(tài)闪彼，因?yàn)樯弦惠喴呀?jīng)完成，所以可以直接使用prevBitmap协饲；nextBitmap是當(dāng)前這一輪Concurrent Marking的結(jié)果畏腕，尚未完成，不能使用茉稠。當(dāng)前這一輪Concurrent Marking結(jié)束后描馅，prevBitmap和nextBitmap互換。

TAMS指針：prevTAMS和nextTAMS而线。prevTAMS記錄的上一輪Concurrent Marking后的老年代Region對(duì)象的top指針（指向已使用部分最大地址）位置铭污；nextTAMS記錄的是當(dāng)前這一輪Concurrent Marking的top指針恋日。當(dāng)前這一輪Concurrent Marking結(jié)束后，prevTAMS和nextTAMS互換嘹狞。

初始標(biāo)記（Initial Marking, STW）

這階段僅僅只是標(biāo)記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象谚鄙，直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象就是下圖Region內(nèi)存已使用的部分中（botoom和top指針之間）；并修改nextTAMS的指針指向?yàn)閠op和創(chuàng)建nextBitmap刁绒，就緒后讓下一階段應(yīng)用線程并發(fā)運(yùn)行時(shí)闷营，能在可用的Region中創(chuàng)建新對(duì)象。這是STW的過(guò)程知市，共用了Young GC的暫停傻盟，這是因?yàn)樗麄兛梢詮?fù)用GC Roots Scan操作，所以可以說(shuō)Global Concurrent Marking是伴隨Young GC而發(fā)生的嫂丙。

圖6

并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking）

在并發(fā)標(biāo)記階段娘赴，下圖GC線程工作在prevTAMS和nextTAMS 之間，對(duì)堆里的對(duì)象進(jìn)行GC Roots可達(dá)性分析跟啤，邊標(biāo)記邊更新nextBitmap诽表，黑色對(duì)應(yīng)的是存活對(duì)象，白色對(duì)應(yīng)的垃圾對(duì)象隅肥。應(yīng)用線程是工作在bottom和top之間的竿奏，和GC線程工作區(qū)間不重疊的地方是新對(duì)象的創(chuàng)建（創(chuàng)建新對(duì)象分配在nextTAMS和top指針之間），而重疊的地方可能會(huì)造成對(duì)象誤標(biāo)腥放，所以還要同時(shí)處理pre-write barrier記錄的在并發(fā)時(shí)有引用變動(dòng)的對(duì)象泛啸，以上來(lái)保證SATB。

圖7

最終標(biāo)記（Remark, STW）

這一階段對(duì)應(yīng)用線程做另一個(gè)短暫的暫停秃症，用于處理并發(fā)標(biāo)記階段結(jié)束后仍遺留下來(lái)的最后那少量的pre-write barrier引用變動(dòng)記錄候址，這是因?yàn)椴l(fā)標(biāo)記階段處理pre-write barrier引用變動(dòng)的時(shí)候應(yīng)用線程還可能持續(xù)在產(chǎn)生新的引用變動(dòng)，所以必須STW一會(huì)來(lái)處理剩余的最后一小部分記錄种柑。

圖8

清理階段（Cleanup）

這階段包括了清理和回收岗仑。這階段的清理是將nextBitmap和prevBitmap合并，并統(tǒng)計(jì)該Region有多少對(duì)象存活聚请，如果該Region沒(méi)有對(duì)象存活荠雕，那么就會(huì)在該階段的回收部分進(jìn)行整體回收，并加入到可分配Region列表中良漱。最后將prevBitmap和nextBitmap互換舞虱，prevTAMS和nextTAMS互換。

圖9

以上便是G1收集器進(jìn)行YGC的過(guò)程母市。

2.2 Mixed GC特點(diǎn)：

（1）Mixed GC是完全STW的矾兜，它根據(jù)用戶設(shè)置的停頓時(shí)間目標(biāo)，可以選擇回收所有年輕代患久，以及部分老年代Region集合（CSet）

（2）在一次完整的全局并發(fā)標(biāo)記周期后椅寺，如果滿足觸發(fā)Mixed GC的條件浑槽，那么就會(huì)執(zhí)行Mixed GC，并且Mixed GC可能會(huì)執(zhí)行多次返帕。當(dāng)整個(gè)堆的使用率超過(guò)指定百分比時(shí)桐玻，GC會(huì)啟動(dòng)新一輪的并發(fā)標(biāo)記周期。

何時(shí)發(fā)生Mixed GC?被幾個(gè)參數(shù)控制：

（1）G1HeapWastePercent：在global concurrent marking結(jié)束之后荆萤，我們可以知道老年代中有多少空間要被回收彩扔，如果老年代中可回收的內(nèi)存/老年代總內(nèi)存到此參數(shù)（默認(rèn)5%）剿涮，才會(huì)發(fā)生Mixed GC铺厨；否則發(fā)生YGC窍株。

（2）有多少分區(qū)會(huì)被認(rèn)定為垃圾分區(qū)。-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=n表示如果一個(gè)分區(qū)存活對(duì)象比例超過(guò)n敞峭，就不會(huì)被選為垃圾分區(qū)踊谋。值越大越容易被當(dāng)做垃圾分區(qū)。通過(guò)它可以控制每次混合收集的分區(qū)個(gè)數(shù)

（3）G1在一個(gè)并發(fā)周期中旋讹，最多經(jīng)歷幾次Mixed GC殖蚕，這個(gè)可以通過(guò)-XX:G1MixedGCCountTarget=n設(shè)置，默認(rèn)是8沉迹，如果減小這個(gè)值睦疫，可以增加每次混合收集收集的分區(qū)數(shù)，但是可能會(huì)導(dǎo)致停頓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)胚股；

（4）最大停頓時(shí)間MaxGCPauseMillis笼痛，默認(rèn)是200ms裙秋，如果實(shí)際運(yùn)行時(shí)間比這個(gè)值小琅拌，G1就能收集更多的分區(qū)

在選定CSet后，G1在執(zhí)行Evacuation階段時(shí)摘刑，其實(shí)就跟YGC的算法類似进宝，采用并行復(fù)制算法把CSet里每個(gè)Region中的存活對(duì)象拷貝到新的Region里，然后回收掉這些Region枷恕，整個(gè)過(guò)程完全STW党晋。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于進(jìn)行壓縮，因此G1出現(xiàn)碎片化的頻率比CMS小得多

Evacuation拷貝&清理

Evacuation徐块，就是將存活對(duì)象拷貝到1個(gè)或多個(gè)Region中未玻，并清理RSet中的Region；YGC和Mixed GC中都包含這個(gè)過(guò)程胡控。

STW階段扳剿，Evacuation過(guò)程有兩種模式：既可能由YGC來(lái)完成，只回收所有的年輕代（GC日志樣例：[GC pause (young)]）昼激。也可能是Mixed GC來(lái)完成的庇绽，即回收所有的年輕代外加根據(jù)global concurrent marking統(tǒng)計(jì)得出收集收益高的部分老年代Region（GC日志樣例：[GC Pause (mixed)]）:

也就是說(shuō)锡搜，并發(fā)標(biāo)記周期之后不一定發(fā)生Mixed GC，需要看是否滿足Mixed GC的條件瞧掺。

2.3 Full GC

在G1的正常工作流程中沒(méi)有Full GC的概念耕餐，老年代的收集全靠Mixed GC來(lái)完成。

（1）但是辟狈，畢竟Mixed GC有搞不定的時(shí)候肠缔，如果Mixed GC實(shí)在無(wú)法跟上程序分配內(nèi)存的速度，導(dǎo)致老年代填滿無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行Mixed GC哼转，就會(huì)切換到G1之外的Serial Old GC來(lái)收集整個(gè)堆桩砰，進(jìn)入這種狀態(tài)的G1就跟-XX:+UseSerialGC的Full GC一樣（背后的核心代碼是兩者共用的），在發(fā)生Full GC時(shí)是單線程運(yùn)行的释簿，因此應(yīng)該盡量避免發(fā)生Full GC亚隅。

（2）這就是為什么不建議G1模式下參數(shù)-XX:MaxGCPauseMillis=200 的值設(shè)置太小，如果設(shè)置太小庶溶，可能導(dǎo)致每次Mixed GC只能回收很小一部分Region煮纵，最終可能無(wú)法跟上程序分配內(nèi)存的速度，從而觸發(fā)Full GC偏螺。

（3）順帶一提行疏，G1模式下的System.gc()默認(rèn)也是Full GC，套像。只有加上參數(shù) -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent 時(shí)G1才會(huì)用自身的并發(fā)GC來(lái)執(zhí)行System.gc()酿联；

幾種導(dǎo)致Full GC的情況：

（1）concurrent mode failure

說(shuō)明：G1并發(fā)標(biāo)記期間，如果在標(biāo)記結(jié)束前夺巩，老年代被填滿贞让，G1 會(huì)放棄標(biāo)記。

解決：增加堆大辛喳张；調(diào)整并發(fā)周期，例如增加并發(fā)標(biāo)記的線程數(shù)美澳，讓并發(fā)標(biāo)記盡快結(jié)束销部；更早進(jìn)行并發(fā)周期，默認(rèn)是整堆45%占用就開(kāi)始

（2）晉升失敗

說(shuō)明：混合收集過(guò)程中制跟，伴隨著年輕代垃圾收集舅桩，進(jìn)行清理老年代空間，如果這個(gè)時(shí)候清理的速度小于消耗的速度雨膨，導(dǎo)致老年代不夠用擂涛，那么會(huì)發(fā)生晉升失敗。

（3）疏散失敗--to space overflow

說(shuō)明：YGC的時(shí)候哥放，如果 Survivor 和 Old 區(qū)沒(méi)有足夠的空間容納所有的存活對(duì)象

（4）大對(duì)象分配失敗歼指，沒(méi)有連續(xù)可用的region存放巨型對(duì)象(G1會(huì)挑選出1組物理連續(xù)的可用 Region, 相加后只要能夠確钡粒總大小可以存放這個(gè)巨型對(duì)象，就會(huì)分配給這個(gè)巨型對(duì)象踩身。反之如果沒(méi)有能夠找到符合條件的連續(xù)可用Region 胀茵，會(huì)執(zhí)行1次Full GC壓縮堆)

（5）元空間 = MaxMetaspaceSize

3.巨型對(duì)象的管理

巨型對(duì)象：一個(gè)對(duì)象的大小超過(guò)region大小的一半。

特點(diǎn)：

巨型對(duì)象直接分配到了老年代挟阻，防止了反復(fù)拷貝移動(dòng)琼娘。

在JDK8u40之前，巨型對(duì)象的回收只能在并發(fā)收集周期的clean up或FULL GC過(guò)程中被回收附鸽，在JDK8u40（包括這個(gè)版本）之后脱拼，一旦沒(méi)有任何其他對(duì)象引用巨型對(duì)象，那么巨型對(duì)象也可以在YGC中被回收

巨型對(duì)象存放在連續(xù)可用的region坷备，并且獨(dú)占region

如果發(fā)現(xiàn)有很多由于巨型對(duì)象分配引起的連續(xù)并發(fā)周期熄浓，并且堆已經(jīng)碎片化了(明明空間夠，卻觸發(fā)full GC)省撑，可以考慮使用-XX:G1HeapRegionSize命令增大分區(qū)大小赌蔑，將巨型對(duì)象變?yōu)槠胀▽?duì)象，從而減少巨型對(duì)象分配對(duì)GC的影響竟秫。

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