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JVM从入门到入土之详解G1垃圾回收器

前言

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Garbage First(G1)是垃圾收集领域的最新成果，同时也是HotSpot在JVM上力推的垃圾收集器，并赋予取代CMS的使命。如果使用Java 8/9，那么有很大可能希望对G1收集器进行评估。本文详细首先对JVM其他的垃圾收集器进行总结，并与G1进行了简单的对比；然后通过G1的内存模型、G1的活动周期，对G1的工作机制进行了介绍；同时还在介绍过程中，描述了可能需要引起注意的优化点。博主希望通过本文，让有一定JVM基础的读者能尽快掌握G1的知识点。

JVM GC收集器的回顾与比较

到JDK1.8为止的垃圾回收器图如下

其实他们的一个迭代的过程是随着技术的演化进行的

串行收集器组合 Serial + Serial Old

开启选项：-XX:+SerialGC

串行收集器是最基本、发展时间最长、久经考验的垃圾收集器，也是client模式下的默认收集器配置。

串行收集器采用单线程stop-the-world的方式进行收集。当内存不足时，串行GC设置停顿标识，待所有线程都进入安全点(Safepoint)时，应用线程暂停，串行GC开始工作，采用单线程方式回收空间并整理内存。单线程也意味着复杂度更低、占用内存更少，但同时也意味着不能有效利用多核优势。事实上，串行收集器特别适合堆内存不高、单核甚至双核CPU的场合。

并行收集器组合 Parallel Scavenge + Parallel Old

开启选项：-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseParallelOldGC(可互相激活)

并行收集器是以关注吞吐量为目标的垃圾收集器，也是server模式下的默认收集器配置，对吞吐量的关注主要体现在年轻代Parallel Scavenge收集器上。

并行收集器与串行收集器工作模式相似，都是stop-the-world方式，只是暂停时并行地进行垃圾收集。年轻代采用复制算法，老年代采用标记-整理，在回收的同时还会对内存进行压缩。关注吞吐量主要指年轻代的Parallel Scavenge收集器，通过两个目标参数-XX:MaxGCPauseMills和-XX:GCTimeRatio，调整新生代空间大小，来降低GC触发的频率。并行收集器适合对吞吐量要求远远高于延迟要求的场景，并且在满足最差延时的情况下，并行收集器将提供最佳的吞吐量。

并发标记清除收集器组合 ParNew + CMS + Serial Old

开启选项：-XX:+UseConcMarkSweepGC

并发标记清除(CMS)是以关注延迟为目标、十分优秀的垃圾回收算法，开启后，年轻代使用STW式的并行收集，老年代回收采用CMS进行垃圾回收，对延迟的关注也主要体现在老年代CMS上。

年轻代ParNew与并行收集器类似，而老年代CMS每个收集周期都要经历：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。其中，初始标记以STW的方式标记所有的根对象；并发标记则同应用线程一起并行，标记出根对象的可达路径；在进行垃圾回收前，CMS再以一个STW进行重新标记，标记那些由mutator线程(指引起数据变化的线程，即应用线程)修改而可能错过的可达对象；最后得到的不可达对象将在并发清除阶段进行回收。值得注意的是，初始标记和重新标记都已优化为多线程执行。CMS非常适合堆内存大、CPU核数多的服务器端应用，也是G1出现之前大型应用的首选收集器。

但是CMS并不完美，它有以下缺点：

由于并发进行，CMS在收集与应用线程会同时会增加对堆内存的占用，也就是说，CMS必须要在老年代堆内存用尽之前完成垃圾回收，否则CMS回收失败时，将触发担保机制，串行老年代收集器将会以STW的方式进行一次GC，从而造成较大停顿时间；
标记清除算法无法整理空间碎片，老年代空间会随着应用时长被逐步耗尽，最后将不得不通过担保机制对堆内存进行压缩。CMS也提供了参数-XX:CMSFullGCsBeForeCompaction(默认0，即每次都进行内存整理)来指定多少次CMS收集之后，进行一次压缩的Full GC。

Garbage First (G1)

开启选项：-XX:+UseG1GC

之前介绍的几组垃圾收集器组合，都有几个共同点：

年轻代、老年代是独立且连续的内存块；
年轻代收集使用单eden、双survivor进行复制算法；
老年代收集必须扫描整个老年代区域；
都是以尽可能少而快地执行GC为设计原则。

G1垃圾收集器也是以关注延迟为目标、服务器端应用的垃圾收集器，被HotSpot团队寄予取代CMS的使命，也是一个非常具有调优潜力的垃圾收集器。虽然G1也有类似CMS的收集动作：初始标记、并发标记、重新标记、清除、转移回收，并且也以一个串行收集器做担保机制，但单纯地以类似前三种的过程描述显得并不是很妥当。事实上，G1收集与以上三组收集器有很大不同：

G1的设计原则是"首先收集尽可能多的垃圾(Garbage - First)"。因此，G1并不会等内存耗尽(串行、并行)或者快耗尽(CMS)的时候开始垃圾收集，而是在内部- 采用了启发式算法，在老年代找出具有高收集收益的分区进行收集。同时G1可以根据用户设置的暂停时- 间目标自动调整年轻代和总堆大小，暂停目标越短年轻代空间越小、总空间就越大；
G1采用内存分区(Region)的思路，将内存划分为一个个相等大小的内存分区，回收时则以分区为单位进- 行回收，存活的对象复制到另一个空闲分区中。由于都是以相等大小的分区为单位进行操作，因此G1天- 然就是一种压缩方案(局部压缩)；
G1虽然也是分代收集器，但整个内存分区不存在物理上的年轻代与老年代的区别，也不需要完全独立的- survivor(to space)堆做复制准备。G1只有逻辑上的分代概念，或者说每个分区都可能随G1的运行在不- 同代之间前后切换；
G1的收集都是STW的，但年轻代和老年代的收集界限比较模糊，采用了混合(mixed)收集的方式。即每次- 收集既可能只收集年轻代分区(年轻代收集)，也可能在收集年轻代的同时，包含部分老年代分区(混合- 收集)，这样即使堆内存很大时，也可以限制收集范围，从而降低停顿

G1的内存模型

分区概念

如下图所示：

分区

分区 Region

G1采用了分区(Region)的思路，将整个堆空间分成若干个大小相等的内存区域，每次分配对象空间将逐段地使用内存。因此，在堆的使用上，G1并不要求对象的存储一定是物理上连续的，只要逻辑上连续即可；每个分区也不会确定地为某个代服务，可以按需在年轻代和老年代之间切换。启动时可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize=n可指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的幂)，默认将整堆划分为2048个分区。

卡片

卡片 Card

在每个分区内部又被分成了若干个大小为512 Byte卡片(Card)，标识堆内存最小可用粒度所有分区的卡片将会记录在全局卡片表(Global Card Table)中，分配的对象会占用物理上连续的若干个卡片，当查找对分区内对象的引用时便可通过记录卡片来查找该引用对象(见RSet)。每次对内存的回收，都是对指定分区的卡片进行处理。

堆

堆 Heap

G1同样可以通过-Xms/-Xmx来指定堆空间大小。当发生年轻代收集或混合收集时，通过计算GC与应用的耗费时间比，自动调整堆空间大小。如果GC频率太高，则通过增加堆尺寸，来减少GC频率，相应地GC占用的时间也随之降低；目标参数-XX:GCTimeRatio即为GC与应用的耗费时间比，G1默认为9，而CMS默认为99，因为CMS的设计原则是耗费在GC上的时间尽可能的少。另外，当空间不足，如对象空间分配或转移失败时，G1会首先尝试增加堆空间，如果扩容失败，则发起担保的Full GC。Full GC后，堆尺寸计算结果也会调整堆空间。

分代模型

分代

分代 Generation

分代垃圾收集可以将关注点集中在最近被分配的对象上，而无需整堆扫描，避免长命对象的拷贝，同时独立收集有助于降低响应时间。虽然分区使得内存分配不再要求紧凑的内存空间，但G1依然使用了分代的思想。与其他垃圾收集器类似，G1将内存在逻辑上划分为年轻代和老年代，其中年轻代又划分为Eden空间和Survivor空间。但年轻代空间并不是固定不变的，当现有年轻代分区占满时，JVM会分配新的空闲分区加入到年轻代空间。

整个年轻代内存会在初始空间-XX:G1NewSizePercent(默认整堆5%)与最大空间-XX:G1MaxNewSizePercent(默认60%)之间动态变化，且由参数目标暂停时间-XX:MaxGCPauseMillis(默认200ms)、需要扩缩容的大小以及分区的已记忆集合(RSet)计算得到。当然，G1依然可以设置固定的年轻代大小(参数-XX:NewRatio、-Xmn)，但同时暂停目标将失去意义。

总的来说，G1可以做到让你自己来设置垃圾回收对系统的影响，他自己通过把内存拆分为大量小Region,以及追踪每个Region中可以回收的对象大小和预估时间，最后在垃圾回收的时候，尽量把垃圾回收对系统造成的影响控制在你指定的范围内，同时在有限的时间内尽量回收可能多的垃圾对象

其实这个也就是一个简单的的介绍，下面一篇我们来说说线上环境G1垃圾回收器的具体使用和参数设置

因为博主也是一个开发萌新我也是一边学一边写我有个目标就是一周二到三篇希望能坚持个一年吧希望各位大佬多提意见，让我多学习，一起进步。