G1详情解读

G1（Garbage First）

1. G1的由来

Garbage First 简称G1,是Java提出的最新垃圾回收算法，它摒弃了之前CMS等垃圾回收算法将JVM内存物理划分为年轻代、老年代和永久代的做法，转而采用了离散内存的思想，将JVM内存划分为若干个region，每个region分配固定大小的内存空间，作为内存回收的基本单位，年轻代老年代以及永久代各由若干的region组成，并且各年代可以离散的分布在JVM内存空间，不必像之前的内存回收算法为每个分代分配一片连续的内存空间；使用G1后可以不需要配置年轻代中Survival区与Eden区的大小比例，以及老年代和年轻代的比例，只需要配置期望的StopWorld的GC时间，G1会根据配置的时间来进行收集，尽量使停顿的时间不超过配置的期望值，正因为要达到这个目的，所以要有选择性的收集垃圾，优先回收全部或者大部分是垃圾的Region，因此才叫做Garbage First，这便是G1的由来；

1.1 JVM内存划分

jvm的内存空间分为本地栈，虚拟机栈，堆，程序计数器以及方法区，其中堆和方法区是线程共享的，其他的都是线程隔离的，垃圾回收主要关注的地方在于堆空间，堆空间可以划分为年轻代，老年代和永久代，在G1中新增了新的分区Homogeneous区，用来存放大对象；

虽然G1也使用了分区的思想，但是并不想以前的回收算法年轻代和老年代都是连续的地址空间，在G1中，整个堆空间划分为了若干个Region，每个Region的大小是2的整数幂，大小在1M-32M之间，默认将堆划分为2048个region，年轻代老年代离散的分布在堆空间中，如下图：

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Humongous区是JDK8新增的一个针对于大对象的特殊区域，其隶属于老年代，当分配的对象大小大于Region大小的50%时，这个对象会被认为是大对象，将会分配到Humongous区，对于一个Humongous区也无法容纳的对象，G1会寻找一个连续的HRegion来存放该对象，如果找不到会启动fullgc回收来达到目的,并且因为Humongous区是属于老年代的，大对象过多会大大增加fullgc的频率，因此在程序中一定要避免出现大对象；

对象的分配策略：JVM会为每个工作线程在Eden区分配一块线程独占的内存区域，叫做TLAB(Thread Local Allocation Buffer),线程创建对象是首先在自己的TLAB中创建，当TLAB内存空间不够用时，才会去Eden区创建对象，如果是大对象，则直接在Humongous区分配；

1.2 G1的垃圾回收策略及类型

1.2.1 标记回收对象

G1中使用RSet来记录对象之间的引用关系，采用的是Point-in的标记策略，与CMS垃圾回收算法相比，CMS采用的是Point-out的标记策略，记录的是老年代中所有对象指向新生代对象的引用关系，而G1则相反，记录的是当前对象被其他分区对象引用的情况，采用这种策略的原因是G1中的Region太多，不可能对每个Region都建立一个Point-out的Rset，对于每个新生代Region,只需要记录老年代到新生代的引用关系,不需要记录新生代之间的引用，这是因为每次回收时都会对新生代进行全扫描；

如果每个Rset记录的引用关系粒度是对象级别会造成记录过多而影响内存使用率，因此G1中的Rset将每个Region分成了若干个等大的小分区，叫做Card，大小在128Byte到512Byte之间，Rset记录的是当前Card中的对象被其他Region中的Card的引用关系，从而降低了Rset的大小；

Rset实际的数据结构是一个HashTable，key是引用当前地址的其他Region的Card起始地址，用来标记不同的card,Value是个字节标志位，0代表没有被引用，1代表被引用；

1.2.2 YoungGC

触发时机：当Eden区的空间不足以创建新对象时，会触发G1 的YoungGC;

YoungGC的所有阶段：

• 阶段1：根扫描

  扫描静态和本地对象

• 阶段2：更新RS

  处理dirty card队列更新RS

• 阶段3：处理RS

  检测从年轻代指向年老代的对象

• 阶段4：对象拷贝

  拷贝存活的对象到survivor/old区域

• 阶段5：处理引用队列

  软引用，弱引用，虚引用处理

1.2.3 G1 MixGC

触发时机：当老年代的占用整个堆空间的比例大于参数设置的阀值时触发，XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默认45%)；

• 初始标记（initial mark，STW）

  在此阶段，G1 GC 对根进行标记。该阶段与常规的 (STW) 年轻代垃圾回收密切相关，一般是在 YoungGC Stop The world 回收内存时进行；

• 根区域扫描（root region scan）

  G1 GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次 STW 年轻代垃圾回收。

• 并发标记（Concurrent Marking）

  G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被 STW 年轻代垃圾回收中断

• 最终标记（Remark，STW）

  该阶段是 STW 回收，帮助完成标记周期。G1 GC 清空 SATB 缓冲区，跟踪未被访问的存活对象，并执行引用处理。

• 清除垃圾（Cleanup，STW）

  在这个最后阶段，G1 GC 执行统计和 RSet 净化的 STW 操作。在统计期间，G1 GC 会识别完全空闲的区域和可供进行混合垃圾回收的区域。清理阶段在将空白区域重置并返回到空闲列表时为部分并发。