G1 垃圾收集器深入剖析(圖文超詳解)

G1（Garbage First）垃圾收集器是目前垃圾回收技術最前沿的成果之一。

G1 同 CMS 垃圾回收器一樣，關注最小時延的垃圾回收器，適合大尺寸堆記憶體的垃圾收集。但是，G1 最大的特點是引入分割區的思路，弱化了分代的概念，合理利用垃圾收集各個週期的資源，解決了其他收集及 CMS 的很多缺陷。

官方推薦使用 G1 來代替 CMS。

通過本篇，我們可以瞭解掌握 G1 收集器的基本概念、堆記憶體、回收流程、GC模式、推薦用例等核心知識。

G1 收集器概述

HotSpot 團隊一直努力朝著高效收集、減少停頓 (STW: Stop The World) 的方向努力，貢獻了從序列 Serial 收集器、到並行收集器 Parallerl 收集器，再到 CMS 並行收集器，乃至如今的 G1 在內的一系列優秀的垃圾收集器。

G1(Garbage First) 垃圾收集器，是關注最小時延的垃圾回收器，也同樣適合大尺寸堆記憶體的垃圾收集，官方推薦選擇使用 G1 來替代 CMS 。

1.  G1 收集器的最大特點

• G1最大的特點是引入分割區的思路，弱化了分代的概念。
• 合理利用垃圾收集各個週期的資源，解決了其他收集器、甚至 CMS 的眾多缺陷。

2.  G1 的改進（相比較 CMS ） 

• 演演算法： G1 基於標記--整理演演算法, 不會產生空間碎片，在分配大物件時，不會因無法得到連續的空間，而提前觸發一次 FULL GC 。
• 停頓時間可控： G1可以通過設定預期停頓時間（Pause Time）來控制垃圾收集時間避免應用雪崩現象。
• 並行與並行：G1 能更充分的利用 CPU 多核環境下的硬體優勢，來縮短 stop the world 的停頓時間。

3. CMS 和 G1 的區別

• CMS 中，堆被分為 PermGen，YoungGen，OldGen ；而 YoungGen 又分了兩個 survivo 區域。在 G1 中，堆被平均分成幾個區域 (region) ，在每個區域中，雖然也保留了新老代的概念，但是收集器是以整個區域為單位收集的。
• G1 在回收記憶體後，會立即同時做合併空閒記憶體的工作；而 CMS ，則預設是在 STW（stop the world）的時候做。
• G1 會在 Young GC 中使用；而 CMS 只能在 O 區使用。

4.  G1 收集器的應用場景

目前，CMS 還是預設首選的 GC 策略。

G1 垃圾收集演演算法，主要應用在多 CPU 大記憶體的服務中，在滿足高吞吐量的同時，儘可能的滿足垃圾回收時的暫停時間。

在以下場景中，G1 更適合：

• 伺服器端多核 CPU、JVM 記憶體佔用較大的應用（至少大於4G）；
• 應用在執行過程中，會產生大量記憶體碎片、需要經常壓縮空間；
• 想要更可控、可預期的 GC 停頓週期，防止高並行下應用雪崩現象。

G1 的堆記憶體演演算法

1.  G1 之前的 JVM 記憶體模型

• 新生代：伊甸園區 (eden space) + 2個倖存區
• 老年代
• 持久代 (perm space)：JDK1.8 之前
• 元空間 (metaspace)：JDK1.8 之後取代持久代

2. G1收集器的記憶體模型

2.1  G1 堆記憶體結構

堆記憶體會被切分成為很多個固定大小區域（Region），每個是連續範圍的虛擬記憶體。

堆記憶體中一個區域 (Region) 的大小，可以通過 -XX:G1HeapRegionSize 引數指定，大小區間最小 1M 、最大 32M ，總之是 2 的冪次方。

預設是將堆記憶體按照 2048 份均分。

2.2  G1 堆記憶體分配

每個 Region 被標記了 E、S、O 和 H，這些區域在邏輯上被對映為 Eden，Survivor 和老年代。

存活的物件從一個區域轉移（即複製或移動）到另一個區域。區域被設計為並行收集垃圾，可能會暫停所有應用執行緒。如上圖所示，區域可以分配到 Eden，survivor 和老年代。

此外，還有第四種型別，被稱為巨型區域（Humongous Region）。

Humongous 區域主要是為儲存超過 50% 標準 region 大小的物件設計，它用來專門存放巨型物件。如果一個 H 區裝不下一個巨型物件，那麼 G1 會尋找連續的 H 分割區來儲存。為了能找到連續的 H 區，有時候不得不啟動 Full GC 。

G1 回收流程

在執行垃圾收集時，G1 以類似於 CMS 收集器的方式執行。

1. G1 收集器的階段，大致分為以下步驟：

1.1  G1 執行的第一階段：初始標記 ( Initial Marking )

這個階段是 STW(Stop the World ) 的，所有應用執行緒會被暫停，標記出從 GC Root 開始直接可達的物件。

1.2  G1 執行的第二階段：並行標記

從 GC Roots 開始，對堆中物件進行可達性分析，找出存活物件，耗時較長。

當並行標記完成後，開始最終標記 ( Final Marking ) 階段。

1.3  最終標記

標記那些在並行標記階段發生變化的物件，將被回收。

1.4  篩選回收

首先，對各個 Regin 的回收價值和成本進行排序，根據使用者所期待的 GC 停頓時間，來指定回收計劃，回收一部分 Region 。

G1 中提供了 Young GC、Mixed GC 兩種垃圾回收模式，這兩種垃圾回收模式，都是 Stop The World(STW) 的。

G1 的 GC 模式

1. YoungGC 年輕代收集

在分配一般物件（非巨型物件）時，當所有 eden region 使用達到最大閥值、並且無法申請足夠記憶體時，會觸發一次 YoungGC 。

每次 younggc 會回收所有Eden 、以及 Survivor 區，並且將存活物件複製到 Old 區以及另一部分的 Survivor 區。

YoungGC 的回收過程：

• 根掃描，跟 CMS 類似，Stop the world，掃描 GC Roots 物件；
• 處理 Dirty card，更新 RSet；
• 掃描 RSet ，掃描 RSet 中所有 old 區，對掃描到的 young 區或者 survivor 區的參照；
• 拷貝掃描出的存活的物件到 survivor2/old 區；
• 處理參照佇列、軟參照、弱參照、虛參照。

2. mixed gc

當越來越多的物件晉升到老年代 old region 時，為了避免堆記憶體被耗盡，虛擬機器器會觸發一個混合的垃圾收集器，即 mixed gc ，該演演算法並不是一個 old gc ，除了回收整個 young region ，還會回收一部分的 old region 。

這裡需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代，可以選擇哪些 old region 進行收集，從而可以對垃圾回收的耗時時間進行控制。

G1 沒有 fullGC 概念，需要 fullGC 時，呼叫 serialOldGC 進行全堆掃描（包括 eden、survivor、o、perm）。

G1 的推薦用例

G1 的第一個重要特點：是為使用者的應用程式的提供一個低GC延時和大記憶體GC的解決方案。

這意味著堆大小 6GB 或更大，穩定和可預測的暫停時間將低於 0.5 秒。

如果應用程式使用 CMS 或 ParallelOld 垃圾回收器，具有一個或多個以下特徵，將有利於切換到 G1：

• Full GC 持續時間太長或太頻繁；
• 物件分配率或年輕代升級老年代很頻繁；
• 不期望的很長的垃圾收集時間或壓縮暫停（超過 0.5 至 1 秒）。

注意：

如果你正在使用 CMS 或 ParallelOld 收集器，且應用程式沒有遇到長時間的垃圾收集暫停，則保持當前收集器就可以了。升級 JDK ，並不需要更新收集器為 G1 。

以上，是 G1 垃圾收集器的解析，歡迎評論區留言交流或拓展。

如果覺得有用，請順手關注+推薦+轉發支援下，謝謝。

 

作者簡介

陳睿 | mikechen , 10年+大廠架構經驗,「mikechen 的網際網路架構」系列文章作者，專注於網際網路架構技術。