5.7 G1收集器

G1是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器。HotSpot開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)賦予它的使命是未來(lái)可以替換JDK1.5中發(fā)布的CMS收集器。與其他收集器相比，G1具備如下特點(diǎn)：

• 并行于并發(fā)：能充分利用多CPU、多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢(shì)，使用多個(gè)CPU來(lái)縮短Stop The World停頓的時(shí)間，部分其他收集器原本需要停頓Java線(xiàn)程執(zhí)行的GC動(dòng)作，G1收集器仍然可以通過(guò)并發(fā)的方式讓Java線(xiàn)程繼續(xù)執(zhí)行。

• 分代收集：與其他收集器一樣，分代概念仍然在G1中依然得以保留。雖然G1可以不需要其他收集器配合就能獨(dú)立管理整個(gè)GC堆，但它能夠采用不同的方式處理創(chuàng)建的對(duì)象和已經(jīng)存活了一段時(shí)間、熬過(guò)多次GC的舊對(duì)象以獲取更好的收集效果。

• 空間整合：G1從整體來(lái)看是基于“標(biāo)記-整理”算法實(shí)現(xiàn)的收集器，從局部（兩個(gè)Region之間）上來(lái)看是基于“復(fù)制”算法實(shí)現(xiàn)的，但無(wú)論如何，這兩種算法都意味著G1運(yùn)作期間不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存空間碎片，收集后能提供規(guī)整的可用內(nèi)存。這種特性有利于程序長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，分配大對(duì)象時(shí)不會(huì)因?yàn)闊o(wú)法找到連續(xù)內(nèi)存空間而提前觸發(fā)下一次GC。

• 可預(yù)測(cè)的停頓：這是G1相對(duì)于CMS的另一大優(yōu)勢(shì)，降低停頓時(shí)間是G1和CMS共同的關(guān)注點(diǎn)，但G1除了追求低停頓外，還能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型，能讓使用者明確指定在一個(gè)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)間不得超過(guò)N毫秒，這幾乎已經(jīng)是實(shí)時(shí)Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

在G1之前的其他收集器進(jìn)行收集的范圍都是整個(gè)新生代或者老年代，而G1不再是這樣。使用G1收集器時(shí)，Java堆的內(nèi)存布局就是與其他收集器有很大差別，它將整個(gè)Java堆劃分為多個(gè)大小相等的獨(dú)立區(qū)域（Region），雖然還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離了，它們都是一部分Region（不再要連續(xù)）的集合。

G1收集器之所以能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型，是因?yàn)樗梢杂杏?jì)劃地避免在整個(gè)Java堆中進(jìn)行全區(qū)域的垃圾收集。G1跟蹤各個(gè)Region里面的垃圾堆積的價(jià)值大?。〞?huì)后所獲得的空間大小以及回收所需時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值），在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的收集時(shí)間，優(yōu)先回收價(jià)值最大的Region。這種使用Region劃分內(nèi)存空間以及有優(yōu)先級(jí)的區(qū)域回收方式，保證了G1收集器在有限的時(shí)間內(nèi)可以獲取盡可能高的收集效率。

G1把內(nèi)存“化整為零”的思路，理解起來(lái)似乎很容易，但其中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有那樣簡(jiǎn)單。比如，把Java堆分為多個(gè)Region后，垃圾收集是否就真的能以Region為單位進(jìn)行了？聽(tīng)起來(lái)順理成章，再仔細(xì)想想就很容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在：Region不可能是孤立的。一個(gè)對(duì)象分配在某個(gè)Region中，它并非只能本Region中的其他對(duì)象引用，而是可以與整個(gè)Java堆任意的對(duì)象發(fā)生引用關(guān)系。那在做可達(dá)性判定確定對(duì)象是否存活的時(shí)候，豈不是還得掃描整個(gè)Java堆才能保證準(zhǔn)確性？這個(gè)問(wèn)題起始并非在G1中才有，只是在G1中更加突出而已。在以前的分代收集中，新生代的規(guī)模一般都比老年代要小許多，新生代的收集也比老年代要頻繁許多，那回收新生代中的對(duì)象時(shí)也面臨相同的問(wèn)題，如果回收新生代時(shí)也不得不同時(shí)掃描老年代的話(huà)，那么Minor GC的效率可能下降不少。

在G1收集器中，Region之間的對(duì)象引用以及其他收集器中的新生代與老年代之間的對(duì)象引用，虛擬機(jī)都是使用Remembered Set來(lái)避免全堆掃描的。G1中每個(gè)Region都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的Remembered Set，虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)程序在對(duì)Reference類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Write Barrier暫時(shí)中斷寫(xiě)操作，檢查Reference引用的對(duì)象是否處于不同的Region之中（在分代的例子中就是檢查是否老年代中的對(duì)象引用了新生代的對(duì)象），如果是，便通過(guò)CardTable把相關(guān)引用信息記錄到被引用對(duì)象所屬的Region的Remembered Set之中。當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存回收時(shí)，在GC根節(jié)點(diǎn)的枚舉范圍中加入Remembered Set即可保證不對(duì)全堆掃描也不會(huì)有遺漏。

如果不計(jì)算維護(hù)Remembered Set的操作，G1收集器的運(yùn)作大致可劃分為以下幾個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記（Initial Marking）
• 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking）
• 最終標(biāo)記（Final Marking）
• 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation）

此收集器的前幾個(gè)步驟和CMS很相似，初始標(biāo)記階段只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象，并且修改TAMS（Next Top at Mark Start）的值，讓下一階段用戶(hù)程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)，能在正確可用的Region中創(chuàng)建新對(duì)象，這個(gè)階段需要停頓線(xiàn)程，但耗時(shí)很短。

并發(fā)標(biāo)記是從GC Roots開(kāi)始對(duì)堆中對(duì)象進(jìn)行可達(dá)性分析，找出存活的對(duì)象，此階段耗時(shí)較長(zhǎng)，但可與用戶(hù)程序并發(fā)執(zhí)行。

最終標(biāo)記階段則是為了修正在并發(fā)標(biāo)記期間用戶(hù)程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分標(biāo)記記錄，虛擬機(jī)將這段時(shí)間對(duì)象變化記錄在線(xiàn)程Remembered Set Logs里面，最終標(biāo)記階段需要把Remembered Set Logs的數(shù)據(jù)合并到Remembered Set中，這個(gè)階段需要停頓線(xiàn)程，但是可以并發(fā)執(zhí)行。

篩選回收階段首先對(duì)各個(gè)Region的回收價(jià)值和成本進(jìn)行排行，根據(jù)用戶(hù)所期望的GC停頓時(shí)間來(lái)指定回收計(jì)劃，但是因?yàn)橹换厥找徊糠?code>Region，時(shí)間是用戶(hù)可控制的，而且停頓用戶(hù)線(xiàn)程將大幅提高收集效率，具體執(zhí)行過(guò)程如下圖。

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5.8 理解 GC 日志

每一種收集器的日志形式都是由它們自身的實(shí)現(xiàn)所決定的，也就是說(shuō)，每個(gè)收集器的日志格式都可以不一樣。下面看一個(gè)典型的GC日志：

5.617: [GC 5.617: [ParNew: 43296K->7006K(47808K), 
0.0136826 secs] 44992K->8702K(252608K), 0.0137904 secs]
[Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.02 secs]

說(shuō)明：

5.617（時(shí)間戳）: [GC（Young GC，收集器類(lèi)型） 5.617（時(shí)間戳）: 
[ParNew（使用ParNew作為年輕代的垃圾回收期）: 43296K（年輕代垃圾回收前的大小）->
7006K（年輕代垃圾回收以后的大?。?47808K)（年輕代的總大?。? 0.0136826 secs（回收時(shí)間）] 
44992K（堆區(qū)垃圾回收前的大小）->8702K（堆區(qū)垃圾回收后的大?。?252608K)（堆區(qū)總大?。? 
0.0137904 secs（回收時(shí)間）] [Times: user=0.03（Young GC用戶(hù)耗時(shí)） 
sys=0.00（Young GC系統(tǒng)耗時(shí)）, real=0.02 secs（Young GC實(shí)際耗時(shí)）]  

再看一個(gè)例子：

7.429: [GC 7.429: [ParNew: 45278K->6723K(47808K), 
0.0251993 secs] 46974K->10551K(252608K), 0.0252421 secs]

說(shuō)明：從GC記錄中我們可以看到Young GC回收了45278-6723=38555K的內(nèi)存。Heap區(qū)通過(guò)這次回收總共減少了 46974-10551=36423K的內(nèi)存。38555-36423=2132K說(shuō)明通過(guò)該次Young GC有2132K的內(nèi)存被移動(dòng)到了Old Gen。

5.9 垃圾收集器參數(shù)總結(jié)