G1 收集器

基础知识

性能指标

在调优Java应用程序时，重点通常放在两个主要目标上：响应性 或 吞吐量。

　响应性Responsiveness 是指应用程序对请求的数据做出响应的速度：

• 桌面用户界面对事件的响应速度
• 网站返回页面的速度
• 数据库查询的返回速度

　吞吐量Throughput 专注于最大程度地提高应用程序在特定时间段内的工作量：

• 在给定时间内完成的事务次数
• 批处理程序在一小时内可以完成的作业数
• 一小时内可以完成的数据库查询数

较长的暂停时间Pause Time对于注重响应性的应用程序是不可接受的，但对于注重吞吐量的应用程序来说可以接受的。前者重点是在短时间内做出响应，后者则侧重与长时间运行的处理效率。

GC 基础

GC Root

可达性分析是 Java GC 算法的基础，基本思路就是以一系列名为 GC Roots 对象作为起始点，通过引用关系遍历对象图，如果一个对象到 GC Roots 间没有任何可达路径相连时，则说明此对象可以被回收。

可以作为 GC Roots 的对象：

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 本地方法栈中JNI（即一般说的native方法）中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象

三色标记

可达性分析中重要的一环就是遍历整个堆，并标记其中的存活对象。一种常用的标记算法是 三色标记法tri-color marking：

每个对象可能为以下 3 种颜色之一：

• white — 未被标记
• gray — 本身已标记，但部分引用的对象完成标记（动图的黄色对象）
• black — 本身已标记，且所有引用的对象完成标记（动图的蓝色对象）

标记算法从 GC Roots 出发遍历堆，可达对象先标记 gray，然后再标记 为 black。

遍历完成之后所有可达对象都是 black 的，此时所有标记为 white 的对象都是可以回收的。

当实现并发标记算法时，必须防止 white 对象被漏标，否则可能导致不该回收的对象被回收。

分代收集

传统垃圾收集器将堆分成三个部分：年轻代YoungGen = Eden + Survivor，老年代OldGen和永久代PermGen，每个区域内存连续且大小固定。

• 年轻代：一次性使用的临时对象（例如：方法中构造的临时对象）
• 老年代：被长期引用的常驻对象（例如：缓存对象、单例对象）
• 永久代：JVM 运行过程中一直存在的对象（例如：字符串常量、类信息）

将堆内存进行划分后，可以按照对象生命周期长短，在不同区域使用不同的回收算法，提高 GC 的效率。

算法分类

Mark and Sweep标记-清除

　用一个空闲列表free-list记录失效对象占用的内存区域，方便后续重新分配给新对象。

• 回收原理简单，GC 停顿时间短
• 维护空闲列表需要一定的空间开销
• 内存碎片较多，可能导致内存分配失败

Mark-Sweep-Compact标记-整理

　将所有存活对象移动到内存区域的开头，剩余的连续内存区域都是可用的空闲空间。

• 通过指针碰撞查找空闲空间，分配速度快
• 内存碎片少，内存分配失败概率低
• 复制对象会导致较长时间的 GC 停顿

Mark and Copy标记-复制

　将内存划分为活动区间与空闲区间，前者用于动态分配对象，后者用于容纳 GC 存活对象。

　GC 时只需将存活对象从前者复制到后者，然后交换两者的角色即可。

• 标记和复制在同一阶段同时进行，当存活对象少时回收效率极高
• 需要预留一个空闲空间用于容纳存活对象，造成内存浪费

CMS 回顾

CMS Concurrent Mark-Sweep 是一个采用 标记-清除 算法的老年代收集器。

它通过与应用程序线程并发执行大多数垃圾回收工作，来最大程度地减少由于 GC 导致的暂停。

通常情况下，CMS 收集器不会复制或压缩活动对象，这意味着无需移动活动对象即可完成垃圾回收。

然而过多的内存碎片可能造成分配失败，最终导致 FullGC。可以通过分配更大的堆来规避这一问题。

CMS 对老年代的回收可以分为以下几个步骤：

• Initial Mark (STW) 初始标记

  

  • 标记 GC Roots 直接可达的老年代对象
  • 遍历新生代存活对象，标记直接可达的老年代对象

• Concurrent Mark 并发标记

  GC 线程遍历 Initial Mark 阶段标记出来存活的老年代对象，然后递归标记这些可达的对象。

  

  该阶段与应用线程并发运行，期间会发生新生代对象晋升、老年代对象引用关系更新，需要对这些对象进行重新标记，避免发生遗漏。

  

  CMS 用一个card-table管理老年代，并发标记过程中，某个对象的引用关系发生了变化，则将对象所在的内存块标记为 Dirty Card。

  CMS 使用增量更新incremental update解决并发修改导致的漏标问题：把 black 对象重新标记为 grey，下次重新扫描其引用。

• Preclean 预清理

  这一阶段主要是处理 Concurrent Mark 阶段中引用关系改变，导致没有标记到的存活对象的。通过并发地重新扫描这些对象，预清理阶段可以减少 Remark 阶段的 STW。

  

  这个阶段会处理前一个阶段被标记为 Dirty Card 的部分，将其中变化了的对象作为 GC Root 再进行扫描并重新标记。

• Abortable Preclean 可终止的预清理

  这个阶段作用与 Preclean 类似，但可以通过设置 扫描时长（默认5秒）或 Eden 区使用占比（默认50%）控制本阶段的结束时机。

  增加这一阶段的原因，是期待这期间能发生一次 YoungGC 清理无效的年轻代对象，减少 Remark 阶段扫描年轻代的时间。

• Remark (STW) 重新标记:

  这个阶段同时扫描 YoungGen 与 OldGen，重新标记整个老年代中所有存活对象。

  由于之前的 Concurrent Mark 与 Preclean 阶段是与用户线程并发执行的，年轻代对老年代的引用可能已经发生了改变，Remark 要花很多时间处理这些改变，会导致长时间的 STW。

  此外，即使新生代的对象已经不可达了，CMS 也会使用这些不可达的对象当做的 GC Roots 来扫描老年代，导致部分失效的老年代对象无法被及时回收。

  可以加入参数 -XX:+CMSScavengeBeforeRemark，在重新标记之前，先执行一次 YoungGC，回收掉年轻代的对象无用的对象。这样进行年轻代扫描时，只需要扫描 Survivor 区的对象即可，一般 Survivor 区非常小，这大大减少了扫描时间。

• Concurrent Sweep 并发清理

  

  至此，老年代所有存活的对象已经被标记完成。这个阶段主要是清除那些没有标记的对象并且回收空间。

  被回收的空间会被添加到 空闲列表中，以供以后分配。这一过程可能会对空闲空间进行合并，但是不会移动存活对象。

  由于该阶段是与应用线程并发运行的，自然就还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，无法在当次收集中处理掉它们。只好留待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为 浮动垃圾。

• Resetting 重置

  清除数据结构，并重置定时器，为下一轮 GC 做准备。

G1 算法

设计目的

G1 Garbage-First 是一种服务器端的垃圾收集器：

• 可以与应用程序线程并行运行，减少 STW
• 整理空闲空间减少内存碎片，但不引入较长的 GC 暂停时间
• 提供可预测的GC暂停时间，无需牺牲很多吞吐量

G1 能够在大内存的多处理器计算机上，保证 GC 暂停时间可控，并实现高吞吐量。

其最终目的是取代 CMS 成为服务端 GC 更好的解决方案：

• 采用 标记-整理 算法，可以避免使用细粒度的空闲列表进行分配。简化了收集器设计并消除了潜在的碎片问题。
• 使用 增量回收incremental collecting 算法，其 GC 暂停时间比 CMS 更具可预测性，并允许用户指定期望的暂停时间。

基本概念

G1 将堆划分为一组大小相等的且连续的堆区域Region：

G1 中新生代与老年代不再连续，每个区域可以在 Eden、Survivor 与 Old 之间切换角色。此外，还有一类被称为 Humongous 的巨型区域，用于容纳体积 ≥ 标准区域大小的50％的对象。JVM 通常会将内存划分为 2000个区域，每个大小从 1 到 32Mb 不等，由 JVM 在启动时通过 -XX:G1HeapRegionSize 指定。

每个区域会被进一步细分成多个卡片Card，每个大小为 512Kb，用于实现细粒度的引用统计。

分区设计可以避免一次收集整个堆，每次 GC 只收集区域的一个子集 CSetcollection set，其中必然包含所有 Young 区域，同时可能包括部分 Old 区域：

根据回收区域的不同，可以将 GC 分为：

• YoungGC：CSet 只包含 Young 区域
• MixedGC： CSet 同时包含 Young 与 Old 区域
• FullGC： 回收整个堆（可用空间耗尽时触发，单线程执行）

G1 根据存活对象的字节数统计每个区域的 活跃度liveness，然后根据期望停顿时间来确定该 CSet 的大小，并保证那些垃圾多（活跃度低）的区域会被优先回收，故此得名 垃圾优先。

G1 的执行过程可以表示为由 3 个阶段组成的循环：

Young GC

堆中一开始只有 YoungGen，因此只会触发 YoungGC，将 Eden 与 Survivor 区域中的活动对象复制到另一个空闲的 Survivor 区域。

G1 中将 将存活对象复制到其他区域 的过程称为 疏散Evacuation。为了减少停顿时间，疏散工作由多个 GC 线程并行完成。

YoungGC 过程中会根据预期目标停顿时间 -XX:MaxGCPauseMillis 动态调整新生代的大小，通过 -XX:G1NewSizePercent 参数可以人为干预这一过程，但会让预期停顿时间参数失效。

当堆的整体占用空间足够大时（超过45%），就会进入 Concurrent Marking 阶段。通过 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 选项可以配置这一行为。

Concurrent Marking

与 CMS 类似，G1 中的并发标记包括多个阶段，其中一些阶段是并发的，另一些阶段则会 STW。

• Initial Mark (STW) 初始标记

  扫描并标记 GC Root 对象直接可达的老年代存活对象。

  Initial Mark 并没有独立的执行阶段，而是嵌入 YoungGC 中执行的，其停顿时间会被分摊，因此实际的开销非常低。

• Root Region Scan 扫描根区域

  扫描 Root Region 并标记所有可达的老年代存活对象。

  此处的 Root Region 就是先前 YoungGC 中生成的 Survivor 区域，其包含的对象都会被视为 GC Root。

  为了避免移动对象对标记产生影响，该过程必须在下次 YongGC 启动前完成。

• Concurrent Mark 并发标记

  启动并发标记线程，扫描并标记整个堆中的存活对象（线程数可以通过 -XX:ConcGCThread 进行配置）。

  为了避免重复标记，G1 使用 SATBsnapshot-at-the-beginning算法解决漏标问题：

  应用线程对在 Concurrent Mark 执行期间进行的所有并发更新，都应保留先前的已知标记信息。

  该约束是通过预写屏障pre-write barrier实现：

  Concurrent Mark 扫描过程中，当应用线程修改某个字段时，会将先前的引用对象存储在日志缓冲区log buffers中，然后交由并发标记线程处理。

  为了避免移动对象对标记产生影响，该过程必须在下次 YoungGC 启动前完成。所有的标记任务必须在堆满前完成，如果堆满前没有完成标记任务，则会触发担保机制，经历一次长时间的串行 FullGC。

• Remark (STW) 重新标记

  启动并行标记线程，完成对整个堆中存活对象的标记（线程数可以通过 -XX:ParallelGCThread 进行配置）。

  该阶段会暂停所有应用线程，避免发生引用更新，并完成对SATB 日志缓冲区中剩余对象的标记，找出所有未被访问的存活对象。

  该阶段还执行一些额外的清理操作，例如：

  • 卸载不可达的类（通过 -XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark 开启）
  • 处理引用对象（弱引用、软引用、虚引用、最终引用）

• Cleanup 清理垃圾

  整理统计信息并识别出高收益的老年代分区，为 MixedGC 做准备。

  主要工作有：

  • RSet 梳理（后续说明）
  • 识别回收收益高的老年代分区 (基于释放空间和暂停目标)
  • 直接回收的没有活跃对象的空闲分区

  此外还会执行一些清理工作，为下一次 Concurrent Marking 做好准备。

Mixed GC

MixedGC 主要流程与 YoungGC 类似，不同的地方在于 CSet 中包含了 Old 区域。

需要注意的是，Concurrent Marking 结束后，并不一定会立即触发 MixedGC，中间可能会穿插多次的 YoungGC。

当收集某个区域时，我们必须知道是否有来自非收集区域引用，来确定它们的活动性：

• 从非收集区域到收集区域的 incoming reference 是重要的（被非收集区引用的对象必须存活）
• 从收集区域到非收集区域的 outgoing reference 是可忽略的（非收集区域不参与GC）

但查找整个堆非常耗时，同时也失去了增量收集的优势。为了解决这一问题，G1 为每个区域维护了一个 RSetremembered set，用于记忆从其他区域指向自己的引用。

收集过程

在执行收集时，RSet 中引用信息会扮演局部 GC Roots 的角色，避免耗时的引用查找，保证每个区域的 GC 能够独立进行：

注意，象如果 Old 区域中对在 Concurrent Marking 阶段被确定为垃圾，即使有外部引用，该对象也会被作为垃圾回收。

接下来发生的事情与其他收集器所做的相同：多个并行GC线程找出哪些对象是活动的，哪些对象是垃圾：

最后，释放空闲区域，将活动对象移到 Survivor 区域，并在必要时创建新对象：

RSet 维护

为了维护 RSet，在应用线程对字段执行写操作时，会触发写后屏障post-write barrier：

如果更新后的引用是跨区域的（即从一个区域指向另一个区域），则对应的条目将出现在目标区域的 RSet 中。

为了减少写屏障带来的开销，该过程是异步的：

应用线程只负责把更新字段所在的 Card 信息插入一个DCQDirty Card Queue，然后由 Refine 线程将其拾取并将信息传播到被引用区域的 RSet。

如果应用线程插入速度过快，会导致 Refine 线程来不及处理，那么应用线程将接管 RSet 更新的任务，从而导致性能下降。

总结

并发标记 与 增量收集 是 G1 实现高性能与可预测回收的关键。

对于 CPU 资源充足且对延迟敏感的服务端应用来说，G1 算法能够在大堆上提供良好的响应速度。

作为代价，额外的写屏障与更活跃GC线程，会对应用的吞吐量产生负面影响。

参考资料

• https://www.oracle.com/technetwork/tutorials/tutorials-1876574.html
• https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-algorithms
• https://medium.com/@hansrajchoudhary_88463/evolution-of-garbage-collection-on-java-garbage-first-garbage-collection-a3f39b1a9ae0
• https://juejin.cn/post/6844903960550047757#heading-10
• https://segmentfault.com/a/1190000021761004