G1收集器詳解

1.基礎(chǔ)介紹

1.1 G1簡介

Garbage First(簡稱G1)收集器是垃圾收集器技術(shù)發(fā)展歷史上的里程碑式的成果蛆橡，它開創(chuàng)了收集器面向局部收集的設(shè)計思路和基于Region的內(nèi)存布局形式祠饺。

G1是一款主要面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器错忱。HotSpot開發(fā)團(tuán)隊最初賦予它的期望是（在比較長期的）未來可以替換掉JDK5中發(fā)布的CMS收集器谈秫。JDK9發(fā)布之日，G1宣告取代了Parallel Scavenge加Parallel Old組合，成為服務(wù)端模式下的默認(rèn)垃圾收集器掖鱼，而CMS則淪落被聲明為不推薦（Deprecate）使用的收集器。

G1是一個實現(xiàn)了可控停頓時間的垃圾收集器援制，通過-XX:MaxGCPauseMillis參數(shù)進(jìn)行設(shè)置戏挡，默認(rèn)是200ms。

1.2 Region

G1開創(chuàng)的基于Region的堆內(nèi)存布局晨仑。雖然G1也仍是遵循分代收集理論設(shè)計的褐墅，但其堆內(nèi)存的布局與其他收集器有非常明顯的差異：G1不再堅持固定大小以及固定數(shù)量的分代區(qū)域劃分，而是把連續(xù)的Java堆劃分為多個大小相等的獨立區(qū)域（Region）,每一個Region都可以根據(jù)需要洪己，扮演新生代的Eden空間妥凳、Survivor空間，或者老年代空間答捕。收集器能夠?qū)Π缪莶煌巧腞egion采用不同的策略去處理猾封，這樣無論是新創(chuàng)建的對象還是已經(jīng)存活了一段時間、熬過多次收集的舊對象都能獲取很好的收集效果噪珊。

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G1中五種不同類型的Region：

Eden regions(年輕代-Eden區(qū))
Survivor regions(年輕代-Survivor區(qū))
Old regions（老年代）
Humongous regions（巨型對象區(qū)域晌缘，通常也被認(rèn)為是老年代的一部分）
Free resgions（未分配區(qū)域齐莲，也會叫做可用分區(qū)）-上圖中空白的區(qū)域

Region中有一類特殊的Humongous區(qū)域，專門用來存儲大對象磷箕。G1認(rèn)為只要大小超過了一個Region容量一般的對象即可判定為大對象选酗。每個Region的大小可以通過參數(shù)-XX:G1HeapRegionSize設(shè)定，取值范圍為1MB~32MB岳枷，且應(yīng)為2的N次冪芒填。而對于那些超過了整個Region容量的超級大對象，將會被存放在N個連續(xù)的Humongous Region之中空繁，G1的大多數(shù)行為都把Humongous Region作為老年代的一部分來進(jìn)行看待殿衰。

因此，大對象分配空間分配區(qū)域策略可總結(jié)為：

對象大小為：<0.5個Region,存儲到標(biāo)記為Eden的Region中
對象大小為：0.5~1個Region盛泡，存儲到標(biāo)記為Humongous的Region中
對象大小為：>1個Region闷祥，存儲到標(biāo)記為Humongous的多個連續(xù)Region中

1.3 GC類型

youngGC：回收Eden區(qū)和Survivor區(qū)的內(nèi)存。
MixedGC：包含所有年輕代以及部分老年代Region傲诵。
FullGC：全堆掃描凯砍。

2.運(yùn)行原理

2.1 基礎(chǔ)知識

2.1.1 記憶集（Remenbered Set,簡稱RSet）和卡表（Card Table）

記憶集（RSet）是一種用于記錄從非收集區(qū)域指向收集區(qū)域的指針集合的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)∷┲瘢卡表（Card Table）就是記憶集的一種具體實現(xiàn)悟衩，它定義了記憶集的記憶精度、與堆內(nèi)存的映射關(guān)系等栓拜。關(guān)于卡表與記憶集的關(guān)系座泳，可以用HashMap與Map的關(guān)系來類比理解。

卡表最簡單的形式可以只是一個字節(jié)數(shù)組幕与，數(shù)組中的每一個元素都對應(yīng)著其標(biāo)識的內(nèi)存區(qū)域中一塊特定大小的內(nèi)存塊钳榨，整個內(nèi)存塊被稱為“卡頁”（Card Page）。HotSpot中卡頁大小為521字節(jié)纽门。如果卡表標(biāo)識內(nèi)存區(qū)域的起始地址是）0x0000的話，數(shù)組的第0营罢、1赏陵、2號元素，分別對應(yīng)了地址范圍0x0000 ~ 0x01FF饲漾、0x0200 ~ 0x03FF蝙搔、0x0400 ~ 0x05FF的卡頁內(nèi)存塊，如下圖所示考传。

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一個卡頁的內(nèi)存中通常包含不止一個對象吃型，只要卡頁內(nèi)有一個（或更多）對象的字段存在著跨代指針，那就對應(yīng)卡表的數(shù)組元素的值標(biāo)識為1僚楞，成為這個元素變臟勤晚，沒有則標(biāo)識為0.在垃圾收集發(fā)生時枉层，只要篩選出卡表中變臟的元素，舊能輕易得出哪些卡頁內(nèi)存塊中包含跨代指針赐写，把它們加入GC Roots中一并掃描鸟蜡。

因此，RSet存在的意義就是避免對象跨代引用時對整個堆內(nèi)存對象的掃描挺邀，起到一種類似索引（更像空間索引）的作用揉忘。

2.1.2 原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB）

簡潔地來說端铛，SATB是維持并發(fā)GC的一種手段泣矛，因為像CMS、G1等收集器禾蚕，首先經(jīng)過初始標(biāo)記您朽，然后進(jìn)行并發(fā)標(biāo)記，并發(fā)標(biāo)記過程中夕膀，可能對初始標(biāo)記的結(jié)果產(chǎn)生了改動虚倒，需要進(jìn)行修正，分別有增量更新和原始快照兩種解決方法产舞。CMS收集器使用增量更新來糾正對象引用關(guān)系魂奥，而G1收集器使用原始快照的策略。

具體參考：

http://www.reibang.com/p/8d37a07277e0
《深入理解Java虛擬機(jī)第三版》p89頁

2.2 運(yùn)行流程

2.1.1 初始標(biāo)記

僅僅只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象易猫，并且修改TAMS指針的值耻煤，讓下一階段用戶線程并發(fā)運(yùn)行時，能正確地在可用地Region中分配新對象准颓。這個階段需要停頓線程（會產(chǎn)生STW）哈蝇，而且是借用進(jìn)行Minor GC地時候同步完成的，所以G1收集器在這個階段沒有產(chǎn)生特別明顯的停頓攘已。

2.2.2 并發(fā)標(biāo)記

從GC Root開始對堆中對象進(jìn)行可達(dá)性分析炮赦，集合RSet，遞歸掃描堆里的對象圖样勃，找出要回收的對象吠勘，這個階段耗時較長，但可與用戶程序并發(fā)執(zhí)行峡眶。當(dāng)對象掃描完成以后剧防，還要重新處理SATB記錄下的在并發(fā)時有引用變動的對象。

2.2.3 最終標(biāo)記（重新標(biāo)記）

對用戶線程做另一個短暫的暫停（會產(chǎn)生STW）辫樱，用于處理并發(fā)階段結(jié)束后仍遺留下來的最后少量的SATB記錄峭拘。

2.2.4 篩選回收

負(fù)責(zé)更新Region的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對各個Region的回收價值和成本進(jìn)行排序，根據(jù)用戶所期望的停頓時間來制定回收計劃鸡挠，可以自由選擇任意多個Region構(gòu)成回收集辉饱，然后決定回收的那一部分Region的存貨對象復(fù)制到空的Region中，再清理掉整個舊Region的全部空間宵凌。這里的曹祖喲涉及存活對象的移動鞋囊，是必須暫停用戶線程，由多條收集器線程并行完成的瞎惫。

3.總結(jié)

G1除了并發(fā)標(biāo)記外溜腐，其余階段也是要完全暫停用戶線程的，換言之瓜喇，它并非純粹地追求低延遲挺益，官方給它設(shè)定的目標(biāo)是在延遲可控的情況下獲得盡可能高的吞吐量，所以才能擔(dān)當(dāng)起“全功能收集器”的重任與期望乘寒。

G1提高效率的點有哪些：

使用RSet降低了掃描的范圍望众。
重新標(biāo)記階段使用SATB速度比CMS的增量更新快。
清理過程中伞辛，選擇部分回收價值高的Region進(jìn)行清理（mixedGC）烂翰，而不是所有Region，提高了清理效率蚤氏。

4. 參考

https://www.bilibili.com/video/BV13J411g7A1?from=search&seid=3010204080299746856
《深入理解Java虛擬機(jī)第三版》