--- name: g1 title: G1 垃圾收集器介绍 date: 2024-03-29 16:05:10 tags: categories: --- [TOC] 之前根据 Sun 的内存管理白皮书介绍了在 HotSpot JVM 分代算法中的几个垃圾收集器,本文将介绍 G1 垃圾收集器。 G1 的主要关注点在于达到**可控的停顿时间**,在这个基础上尽可能提高吞吐量,这一点非常重要。 G1 被设计用来长期取代 CMS 收集器,和 CMS 相同的地方在于,它们都属于并发收集器,在大部分的收集阶段都不需要挂起应用程序。区别在于,G1 没有 CMS 的碎片化问题(或者说不那么严重),同时提供了更加可控的停顿时间。 如果你的应用使用了较大的堆(如 6GB 及以上)而且还要求有较低的垃圾收集停顿时间(如 0.5 秒),那么 G1 是你绝佳的选择,是时候放弃 CMS 了。 **阅读建议**:本文力求用简单的话介绍清楚 G1 收集器,但是并不会重复介绍每一个细节,所以希望读者了解其他几个收集器的工作过程,尤其是 CMS 收集器。 ## G1 总览 首先是内存划分上,之前介绍的分代收集器将整个堆分为年轻代、老年代和永久代,每个代的空间是确定的。 而 G1 将整个堆划分为一个个大小相等的小块(每一块称为一个 region),每一块的内存是连续的。和分代算法一样,G1 中每个块也会充当 Eden、Survivor、Old 三种角色,但是它们不是固定的,这使得内存使用更加地灵活。 ![1](https://www.javadoop.com/blogimages/g1/3.png) 执行垃圾收集时,和 CMS 一样,G1 收集线程在标记阶段和应用程序线程**并发**执行,标记结束后,G1 也就知道哪些区块基本上是垃圾,存活对象极少,G1 会先从这些区块下手,因为从这些区块能很快释放得到很大的可用空间,**这也是为什么 G1 被取名为 Garbage-First 的原因**。 > 这里只不过是先介绍些概念,没看懂没关系,往下看 在 G1 中,目标停顿时间非常非常重要,用 -XX:MaxGCPauseMillis=200 指定期望的停顿时间。 G1 使用了**停顿预测模型**来满足用户指定的停顿时间目标,并基于目标来选择进行垃圾回收的区块数量。G1 采用增量回收的方式,每次回收一些区块,而不是整堆回收。 我们要知道 G1 不是一个实时收集器,它会尽力满足我们的停顿时间要求,但也不是绝对的,它基于之前垃圾收集的数据统计,估计出在用户指定的停顿时间内能收集多少个区块。 **注意:**G1 有和应用程序一起运行的并发阶段,也有 stop-the-world 的并行阶段。但是,**Full GC 的时候还是单线程运行的**,所以我们应该尽量避免发生 Full GC,后面我们也会介绍什么时候会触发 Full GC。 **G1 内存占用** G1 比 ParallelOld 和 CMS 会需要更多的内存消耗,那是因为有部分内存消耗于簿记(accounting)上,如以下两个数据结构: - **Remembered Sets**:每个区块都有一个 RSet,用于记录进入该区块的对象引用(如区块 A 中的对象引用了区块 B,区块 B 的 Rset 需要记录这个信息),它用于实现收集过程的并行化以及使得区块能进行独立收集。总体上 Remembered Sets 消耗的内存小于 5%。 - **Collection Sets**:将要被回收的区块集合。GC 时,在这些区块中的对象会被复制到其他区块中,总体上 Collection Sets 消耗的内存小于 1%。 ## G1 工作流程 前面啰里啰嗦说了挺多的,唯一要记住的就是,G1 的设计目标就是尽力满足我们的目标停顿时间上的要求。 本节介绍 G1 的收集过程,G1 收集器主要包括了以下 4 种操作: - 1、年轻代收集 - 2、并发收集,和应用线程同时执行 - 3、混合式垃圾收集 - *、必要时的 Full GC 接下来,我们进行一一介绍。 ### 年轻代收集 首先,我们来看下 G1 的堆结构: ![3](https://www.javadoop.com/blogimages/g1/1.png) 年轻代中的垃圾收集流程(Young GC): ![4](https://www.javadoop.com/blogimages/g1/2.png) 我们可以看到,年轻代收集概念上和之前介绍的其他分代收集器大差不差的,但是它的年轻代会动态调整。 ### Old GC / 并发标记周期 接下来是 Old GC 的流程(含 Young GC 阶段),其实把 Old GC 理解为**并发周期**是比较合理的,不要单纯地认为是清理老年代的区块,因为这一步和年轻代收集也是相关的。下面我们介绍主要流程: 1. 初始标记:stop-the-world,它伴随着一次普通的 Young GC 发生,然后对 Survivor 区(root region)进行标记,因为该区可能存在对老年代的引用。 > 因为 Young GC 是需要 stop-the-world 的,所以并发周期直接重用这个阶段,虽然会增加 CPU 开销,但是停顿时间只是增加了一小部分。 2. 扫描根引用区:因为先进行了一次 YGC,所以当前年轻代只有 Survivor 区有存活对象,它被称为根引用区。扫描 Survivor 到老年代的引用,该阶段必须在下一次 Young GC 发生前结束。 > 这个阶段不能发生年轻代收集,如果中途 Eden 区真的满了,也要等待这个阶段结束才能进行 Young GC。 3. 并发标记:寻找整个堆的存活对象,该阶段可以被 Young GC 中断。 > 这个阶段是并发执行的,中间可以发生多次 Young GC,Young GC 会中断标记过程 4. 重新标记:stop-the-world,完成最后的存活对象标记。使用了比 CMS 收集器更加高效的 snapshot-at-the-beginning (SATB) 算法。 > Oracle 的资料显示,这个阶段会回收完全空闲的区块 5. 清理:清理阶段真正回收的内存很少。 到这里,G1 的一个并发周期就算结束了,其实就是主要完成了垃圾定位的工作,定位出了哪些分区是垃圾最多的。因为整堆一般比较大,所以这个周期应该会比较长,中间可能会被多次 stop-the-world 的 Young GC 打断。 ### 混合垃圾回收周期 并发周期结束后是混合垃圾回收周期,不仅进行年轻代垃圾收集,而且回收之前标记出来的老年代的垃圾最多的部分区块。 混合垃圾回收周期会持续进行,直到几乎所有的被标记出来的分区(垃圾占比大的分区)都得到回收,然后恢复到常规的年轻代垃圾收集,最终再次启动并发周期。 ### Full GC 到这里我们已经说了年轻代收集、并发周期、混合回收周期了,大家要熟悉这几个阶段的工作。 下面我们来介绍特殊情况,那就是会导致 **Full GC** 的情况,也是我们需要极力避免的: 1. concurrent mode failure:并发模式失败,CMS 收集器也有同样的概念。G1 并发标记期间,如果在标记结束前,老年代被填满,G1 会放弃标记。 > 这个时候说明 > > - 堆需要增加了, > - 或者需要调整并发周期,如增加并发标记的线程数量,让并发标记尽快结束 > - 或者就是更早地进行并发周期,默认是整堆内存的 45% 被占用就开始进行并发周期。 2. 晋升失败:并发周期结束后,是混合垃圾回收周期,伴随着年轻代垃圾收集,进行清理老年代空间,如果这个时候清理的速度小于消耗的速度,导致老年代不够用,那么会发生晋升失败。 > 说明混合垃圾回收需要更迅速完成垃圾收集,也就是说在混合回收阶段,每次年轻代的收集应该处理更多的老年代已标记区块。 3. 疏散失败:年轻代垃圾收集的时候,如果 Survivor 和 Old 区没有足够的空间容纳所有的存活对象。这种情况肯定是非常致命的,因为基本上已经没有多少空间可以用了,这个时候会触发 Full GC 也是很合理的。 > 最简单的就是增加堆大小 4. 大对象分配失败,我们应该尽可能地不创建大对象,尤其是大于一个区块大小的那种对象。 ### 简单小结 看完上面的 Young GC 和 Old GC 等,很多读者可能还是很懵的,这里说几句不严谨的白话文帮助读者进行理解: 首先,最好不要把上面的 Old GC 当做是一次 GC 来看,而应该当做**并发标记周期**来理解,虽然它确实会释放出一些内存。 并发标记结束后,G1 也就知道了哪些区块是最适合被回收的,那些完全空闲的区块会在这这个阶段被回收。如果这个阶段释放了足够的内存出来,其实也就可以认为结束了一次 GC。 我们假设并发标记结束了,那么下次 GC 的时候,还是会先回收年轻代,如果从年轻代中得到了足够的内存,那么结束;过了几次后,年轻代垃圾收集不能满足需要了,那么就需要利用之前并发标记的结果,选择一些活跃度最低的老年代区块进行回收。直到最后,老年代会进入下一个并发周期。 那么什么时候会启动并发标记周期呢?这个是通过参数控制的,下面马上要介绍这个参数了,此参数默认值是 45,也就是说当堆空间使用了 45% 后,G1 就会进入并发标记周期。 ## G1 参数配置和最佳实践 G1 调优的目标是尽量避免出现 Full GC,其实就是给老年代足够的空间,或相对更多的空间。 有以下几点我们可以进行调整的方向: - 增加堆大小,或调整老年代和年轻代的比例,这个很好理解 - 增加并发周期的线程数量,其实就是为了加快并发周期快点结束 - 让并发周期尽早开始,这个是通过设置堆使用占比来调整的(默认 45%) - 在混合垃圾回收周期中回收更多的老年代区块 G1 的很重要的目标是达到可控的停顿时间,所以很多的行为都以这个目标为出发点开展的。 我们通过设置 -XX:MaxGCPauseMillis=N 来指定停顿时间(单位 ms,默认 200ms),如果没有达到这个目标,G1 会通过各种方式来补救:调整年轻代和老年代的比例,调整堆大小,调整晋升的年龄阈值,调整混合垃圾回收周期中处理的老年代的区块数量等等。 当然了,调整每个参数满足了一个条件的同时往往也会引入另一个问题,比如为了降低停顿时间,我们可以减小年轻代的大小,可是这样的话就会增加年轻代垃圾收集的频率。如果我们减少混合垃圾回收周期处理的老年代区块数量,虽然可以更容易满足停顿时间要求,可是这样就会增加 Full GC 的风险等等。 下面介绍最常用也是最基础的一些参数的设置,涉及到更高级的调优参数设置,请读者自行参阅其他资料。 **参数介绍**: - **-XX:+UseG1GC** 使用 G1 收集器 - **-XX:MaxGCPauseMillis=200** 指定目标停顿时间,默认值 200 毫秒。 > 在设置 -XX:MaxGCPauseMillis 值的时候,不要指定为平均时间,而应该指定为满足 90% 的停顿在这个时间之内。记住,停顿时间目标是我们的目标,不是每次都一定能满足的。 - **-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45** 整堆使用达到这个比例后,触发并发 GC 周期,默认 45%。 > 如果要降低晋升失败的话,通常可以调整这个数值,使得并发周期提前进行 - **-XX:NewRatio=n** 老年代/年轻代,默认值 2,即 1/3 的年轻代,2/3 的老年代 > 不要设置年轻代为固定大小,否则: > > - G1 不再需要满足我们的停顿时间目标 > - 不能再按需扩容或缩容年轻代大小 - **-XX:SurvivorRatio=n** Eden/Survivor,默认值 8,这个和其他分代收集器是一样的 - **-XX:MaxTenuringThreshold =n** 从年轻代晋升到老年代的年龄阈值,也是和其他分代收集器一样的 - **-XX:ParallelGCThreads=n** 并行收集时候的垃圾收集线程数 - **-XX:ConcGCThreads=n** 并发标记阶段的垃圾收集线程数 > 增加这个值可以让并发标记更快完成,如果没有指定这个值,JVM 会通过以下公式计算得到: > > ConcGCThreads=(ParallelGCThreads + 2) / 4^3 - **-XX:G1ReservePercent=n** 堆内存的预留空间百分比,默认 10,用于降低晋升失败的风险,即默认地会将 10% 的堆内存预留下来。 - **-XX:G1HeapRegionSize=n** 每一个 region 的大小,默认值为根据堆大小计算出来,取值 1MB~32MB,这个我们通常指定整堆大小就好了。 ## 小结 我自己仔细检查了几遍,主要内容都囊括了,我也不知道读者看完本文会不会是一脸懵逼。 如果有什么问题,可以在留言板上给我留言,**我是 GC 的门外汉**,如果有些问题我觉得自己能解答,我会尽力帮助大家。 最后,在这里推荐一些资料给感兴趣的读者: Oracle 官方出品,本文的很多内容是翻译并解读这篇文章的: [Getting Started with the G1 Garbage Collector](http://www.oracle.com/technetwork/tutorials/tutorials-1876574.html) 帮助大家理解 G1 的日志: [Understanding G1 GC Logs](https://blogs.oracle.com/poonam/understanding-g1-gc-logs) 这里介绍 GC 的内容非常好: https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-algorithms-implementations#g1 《Java 性能权威指南》:非常好的一本书,建议读者有时间可以看看这本书中关于 GC 的介绍。 (全文完)