摘要：之前根據(jù)的內(nèi)存管理白皮書介紹了在分代算法中的幾個(gè)垃圾收集器，本文將介紹垃圾收集器。本節(jié)介紹的收集過程，收集器主要包括了以下種操作年輕代收集并發(fā)收集，和應(yīng)用線程同時(shí)執(zhí)行混合式垃圾收集必要時(shí)的接下來，我們進(jìn)行一一介紹。

之前根據(jù) Sun 的內(nèi)存管理白皮書介紹了在 HotSpot JVM 分代算法中的幾個(gè)垃圾收集器，本文將介紹 G1 垃圾收集器。

G1 的主要關(guān)注點(diǎn)在于達(dá)到可控的停頓時(shí)間，在這個(gè)基礎(chǔ)上盡可能提高吞吐量，這一點(diǎn)非常重要。

G1 被設(shè)計(jì)用來長期取代 CMS 收集器，和 CMS 相同的地方在于，它們都屬于并發(fā)收集器，在大部分的收集階段都不需要掛起應(yīng)用程序。區(qū)別在于，G1 沒有 CMS 的碎片化問題（或者說不那么嚴(yán)重），同時(shí)提供了更加可控的停頓時(shí)間。

如果你的應(yīng)用使用了較大的堆（如 6GB 及以上）而且還要求有較低的垃圾收集停頓時(shí)間（如 0.5 秒），那么 G1 是你絕佳的選擇，是時(shí)候放棄 CMS 了。

閱讀建議：本文力求用簡(jiǎn)單的話介紹清楚 G1 收集器，但是并不會(huì)重復(fù)介紹每一個(gè)細(xì)節(jié)，所以希望讀者了解其他幾個(gè)收集器的工作過程，尤其是 CMS 收集器。

首先是內(nèi)存劃分上，之前介紹的分代收集器將整個(gè)堆分為年輕代、老年代和永久代，每個(gè)代的空間是確定的。

而 G1 將整個(gè)堆劃分為一個(gè)個(gè)大小相等的小塊（每一塊稱為一個(gè) region），每一塊的內(nèi)存是連續(xù)的。和分代算法一樣，G1 中每個(gè)塊也會(huì)充當(dāng) Eden、Survivor、Old 三種角色，但是它們不是固定的，這使得內(nèi)存使用更加地靈活。

執(zhí)行垃圾收集時(shí)，和 CMS 一樣，G1 收集線程在標(biāo)記階段和應(yīng)用程序線程并發(fā)執(zhí)行，標(biāo)記結(jié)束后，G1 也就知道哪些區(qū)塊基本上是垃圾，存活對(duì)象極少，G1 會(huì)先從這些區(qū)塊下手，因?yàn)閺倪@些區(qū)塊能很快釋放得到很大的可用空間，這也是為什么 G1 被取名為 Garbage-First 的原因。
在 G1 中，目標(biāo)停頓時(shí)間非常非常重要，用 -XX:MaxGCPauseMillis=200 指定期望的停頓時(shí)間。

G1 使用了停頓預(yù)測(cè)模型來滿足用戶指定的停頓時(shí)間目標(biāo)，并基于目標(biāo)來選擇進(jìn)行垃圾回收的區(qū)塊數(shù)量。G1 采用增量回收的方式，每次回收一些區(qū)塊，而不是整堆回收。

我們要知道 G1 不是一個(gè)實(shí)時(shí)收集器，它會(huì)盡力滿足我們的停頓時(shí)間要求，但也不是絕對(duì)的，它基于之前垃圾收集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，估計(jì)出在用戶指定的停頓時(shí)間內(nèi)能收集多少個(gè)區(qū)塊。

注意：G1 有和應(yīng)用程序一起運(yùn)行的并發(fā)階段，也有 stop-the-world 的并行階段。但是，F(xiàn)ull GC 的時(shí)候還是單線程運(yùn)行的，所以我們應(yīng)該盡量避免發(fā)生 Full GC，后面我們也會(huì)介紹什么時(shí)候會(huì)觸發(fā) Full GC。

G1 內(nèi)存占用

注：這里不那么重要。

G1 比 ParallelOld 和 CMS 會(huì)需要更多的內(nèi)存消耗，那是因?yàn)橛胁糠謨?nèi)存消耗于簿記（accounting）上，如以下兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

Remembered Sets：每個(gè)區(qū)塊都有一個(gè) RSet，用于記錄進(jìn)入該區(qū)塊的對(duì)象引用（如區(qū)塊 A 中的對(duì)象引用了區(qū)塊 B，區(qū)塊 B 的 Rset 需要記錄這個(gè)信息），它用于實(shí)現(xiàn)收集過程的并行化以及使得區(qū)塊能進(jìn)行獨(dú)立收集。總體上 Remembered Sets 消耗的內(nèi)存小于 5%。
Collection Sets：將要被回收的區(qū)塊集合。GC 時(shí)，在這些區(qū)塊中的對(duì)象會(huì)被復(fù)制到其他區(qū)塊中，總體上 Collection Sets 消耗的內(nèi)存小于 1%。

前面啰里啰嗦說了挺多的，唯一要記住的就是，G1 的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是盡力滿足我們的目標(biāo)停頓時(shí)間上的要求。

本節(jié)介紹 G1 的收集過程，G1 收集器主要包括了以下 4 種操作：

1、年輕代收集
2、并發(fā)收集，和應(yīng)用線程同時(shí)執(zhí)行
3、混合式垃圾收集
*、必要時(shí)的 Full GC
接下來，我們進(jìn)行一一介紹。

首先，我們來看下 G1 的堆結(jié)構(gòu)：

年輕代中的垃圾收集流程（Young GC）：

我們可以看到，年輕代收集概念上和之前介紹的其他分代收集器大差不差的，但是它的年輕代會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

接下來是 Old GC 的流程（含 Young GC 階段），其實(shí)把 Old GC 理解為并發(fā)周期是比較合理的，不要單純地認(rèn)為是清理老年代的區(qū)塊，因?yàn)檫@一步和年輕代收集也是相關(guān)的。下面我們介紹主要流程：

1.初始標(biāo)記：stop-the-world，它伴隨著一次普通的 Young GC 發(fā)生，然后對(duì) Survivor 區(qū)（root region）進(jìn)行標(biāo)記，因?yàn)樵搮^(qū)可能存在對(duì)老年代的引用。

因?yàn)?Young GC 是需要 stop-the-world 的，所以并發(fā)周期直接重用這個(gè)階段，雖然會(huì)增加 CPU 開銷，但是停頓時(shí)間只是增加了一小部分。

2.掃描根引用區(qū)：掃描 Survivor 到老年代的引用，該階段必須在下一次 Young GC 發(fā)生前結(jié)束。

這個(gè)階段不能發(fā)生年輕代收集，如果中途 Eden 區(qū)真的滿了，也要等待這個(gè)階段結(jié)束才能進(jìn)行 Young GC。

3.并發(fā)標(biāo)記：尋找整個(gè)堆的存活對(duì)象，該階段可以被 Young GC 中斷。

這個(gè)階段是并發(fā)執(zhí)行的，中間可以發(fā)生多次 Young GC，Young GC 會(huì)中斷標(biāo)記過程

4.重新標(biāo)記：stop-the-world，完成最后的存活對(duì)象標(biāo)記。使用了比 CMS 收集器更加高效的 snapshot-at-the-beginning (SATB) 算法。

Oracle 的資料顯示，這個(gè)階段會(huì)回收完全空閑的區(qū)塊

5.清理：清理階段真正回收的內(nèi)存很少。
到這里，G1 的一個(gè)并發(fā)周期就算結(jié)束了，其實(shí)就是主要完成了垃圾定位的工作，定位出了哪些分區(qū)是垃圾最多的。

并發(fā)周期結(jié)束后是混合垃圾回收周期，不僅進(jìn)行年輕代垃圾收集，而且回收之前標(biāo)記出來的老年代的垃圾最多的部分區(qū)塊。

混合垃圾回收周期會(huì)持續(xù)進(jìn)行，直到幾乎所有的被標(biāo)記出來的分區(qū)（垃圾占比大的分區(qū)）都得到回收，然后恢復(fù)到常規(guī)的年輕代垃圾收集，最終再次啟動(dòng)并發(fā)周期。

到這里我們已經(jīng)說了年輕代收集、并發(fā)周期、混合回收周期了，大家要熟悉這幾個(gè)階段的工作。

下面我們來介紹特殊情況，那就是會(huì)導(dǎo)致 Full GC 的情況，也是我們需要極力避免的：

1.concurrent mode failure：并發(fā)模式失敗，CMS 收集器也有同樣的概念。G1 并發(fā)標(biāo)記期間，如果在標(biāo)記結(jié)束前，老年代被填滿，G1 會(huì)放棄標(biāo)記。

這個(gè)時(shí)候說明堆需要增加了，或者需要調(diào)整并發(fā)周期，如增加并發(fā)標(biāo)記的線程數(shù)量，讓并發(fā)標(biāo)記盡快結(jié)束或者就是更早地進(jìn)行并發(fā)周期，默認(rèn)是整堆內(nèi)存的 45% 被占用就開始進(jìn)行并發(fā)周期。

2.晉升失敗：并發(fā)周期結(jié)束后，是混合垃圾回收周期，伴隨著年輕代垃圾收集，進(jìn)行清理老年代空間，如果這個(gè)時(shí)候清理的速度小于消耗的速度，導(dǎo)致老年代不夠用，那么會(huì)發(fā)生晉升失敗。

說明混合垃圾回收需要更迅速完成垃圾收集，也就是說在混合回收階段，每次年輕代的收集應(yīng)該處理更多的老年代已標(biāo)記區(qū)塊。

3.疏散失敗：年輕代垃圾收集的時(shí)候，如果 Survivor 和 Old 區(qū)沒有足夠的空間容納所有的存活對(duì)象。這種情況肯定是非常致命的，因?yàn)榛旧弦呀?jīng)沒有多少空間可以用了，這個(gè)時(shí)候會(huì)觸發(fā) Full GC 也是很合理的。

最簡(jiǎn)單的就是增加堆大小

4.大對(duì)象分配失敗，我們應(yīng)該盡可能地不創(chuàng)建大對(duì)象，尤其是大于一個(gè)區(qū)塊大小的那種對(duì)象。

看完上面的 Young GC 和 Old GC 等，很多讀者可能還是很懵的，這里說幾句不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌自捨膸椭x者進(jìn)行理解：

首先，最好不要把上面的 Old GC 當(dāng)做是一次 GC 來看，而應(yīng)該當(dāng)做并發(fā)標(biāo)記周期來理解，雖然它確實(shí)會(huì)釋放出一些內(nèi)存。

并發(fā)標(biāo)記結(jié)束后，G1 也就知道了哪些區(qū)塊是最適合被回收的，那些完全空閑的區(qū)塊會(huì)在這這個(gè)階段被回收。如果這個(gè)階段釋放了足夠的內(nèi)存出來，其實(shí)也就可以認(rèn)為結(jié)束了一次 GC。

我們假設(shè)并發(fā)標(biāo)記結(jié)束了，那么下次 GC 的時(shí)候，還是會(huì)先回收年輕代，如果從年輕代中得到了足夠的內(nèi)存，那么結(jié)束；過了幾次后，年輕代垃圾收集不能滿足需要了，那么就需要利用之前并發(fā)標(biāo)記的結(jié)果，選擇一些活躍度最低的老年代區(qū)塊進(jìn)行回收。直到最后，老年代會(huì)進(jìn)入下一個(gè)并發(fā)周期。

那么什么時(shí)候會(huì)啟動(dòng)并發(fā)標(biāo)記周期呢？這個(gè)是通過參數(shù)控制的，下面馬上要介紹這個(gè)參數(shù)了，此參數(shù)默認(rèn)值是 45，也就是說當(dāng)堆空間使用了 45% 后，G1 就會(huì)進(jìn)入并發(fā)標(biāo)記周期。

G1 調(diào)優(yōu)的目標(biāo)是盡量避免出現(xiàn) Full GC，其實(shí)就是給老年代足夠的空間，或相對(duì)更多的空間。

有以下幾點(diǎn)我們可以進(jìn)行調(diào)整的方向：

增加堆大小，或調(diào)整老年代和年輕代的比例，這個(gè)很好理解
增加并發(fā)周期的線程數(shù)量，其實(shí)就是為了加快并發(fā)周期快點(diǎn)結(jié)束
讓并發(fā)周期盡早開始，這個(gè)是通過設(shè)置堆使用占比來調(diào)整的（默認(rèn) 45%）
在混合垃圾回收周期中回收更多的老年代區(qū)塊
G1 的很重要的目標(biāo)是達(dá)到可控的停頓時(shí)間，所以很多的行為都以這個(gè)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)開展的。

我們通過設(shè)置 -XX:MaxGCPauseMillis=N 來指定停頓時(shí)間（單位 ms，默認(rèn) 200ms），如果沒有達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，G1 會(huì)通過各種方式來補(bǔ)救：調(diào)整年輕代和老年代的比例，調(diào)整堆大小，調(diào)整晉升的年齡閾值，調(diào)整混合垃圾回收周期中處理的老年代的區(qū)塊數(shù)量等等。

當(dāng)然了，調(diào)整每個(gè)參數(shù)滿足了一個(gè)條件的同時(shí)往往也會(huì)引入另一個(gè)問題，比如為了降低停頓時(shí)間，我們可以減小年輕代的大小，可是這樣的話就會(huì)增加年輕代垃圾收集的頻率。如果我們減少混合垃圾回收周期處理的老年代區(qū)塊數(shù)量，雖然可以更容易滿足停頓時(shí)間要求，可是這樣就會(huì)增加 Full GC 的風(fēng)險(xiǎn)等等。

下面介紹最常用也是最基礎(chǔ)的一些參數(shù)的設(shè)置，涉及到更高級(jí)的調(diào)優(yōu)參數(shù)設(shè)置，請(qǐng)讀者自行參閱其他資料。

參數(shù)介紹：

-XX:+UseG1GC 使用 G1 收集器

-XX:MaxGCPauseMillis=200 指定目標(biāo)停頓時(shí)間，默認(rèn)值 200 毫秒。

在設(shè)置 -XX:MaxGCPauseMillis 值的時(shí)候，不要指定為平均時(shí)間，而應(yīng)該指定為滿足 90% 的停頓在這個(gè)時(shí)間之內(nèi)。記住，停頓時(shí)間目標(biāo)是我們的目標(biāo)，不是每次都一定能滿足的。

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 整堆使用達(dá)到這個(gè)比例后，觸發(fā)并發(fā) GC 周期，默認(rèn) 45%。

如果要降低晉升失敗的話，通常可以調(diào)整這個(gè)數(shù)值，使得并發(fā)周期提前進(jìn)行

-XX:NewRatio=n

老年代/年輕代，默認(rèn)值 2，即 1/3 的年輕代，2/3 的老年代老年代/年輕代，默認(rèn)值 2，即 1/3 的年輕代，2/3 的老年代。不要設(shè)置年輕代為固定大小，否則：G1 不再需要滿足我們的停頓時(shí)間目標(biāo),不能再按需擴(kuò)容或縮容年輕代大小

-XX:SurvivorRatio=n

Eden/Survivor，默認(rèn)值 8，這個(gè)和其他分代收集器是一樣的

-XX:MaxTenuringThreshold =n

從年輕代晉升到老年代的年齡閾值，也是和其他分代收集器一樣的

-XX:ParallelGCThreads=n

并行收集時(shí)候的垃圾收集線程數(shù)

-XX:ConcGCThreads=n

并發(fā)標(biāo)記階段的垃圾收集線程數(shù)，增加這個(gè)值可以讓并發(fā)標(biāo)記更快完成，如果沒有指定這個(gè)值，JVM 會(huì)通過以下公式計(jì)算得到ConcGCThreads=(ParallelGCThreads + 2) / 4^3

-XX:G1ReservePercent=n

堆內(nèi)存的預(yù)留空間百分比，默認(rèn) 10，用于降低晉升失敗的風(fēng)險(xiǎn)，即默認(rèn)地會(huì)將 10% 的堆內(nèi)存預(yù)留下來。

-XX:G1HeapRegionSize=n

每一個(gè) region 的大小，默認(rèn)值為根據(jù)堆大小計(jì)算出來，取值 1MB~32MB，這個(gè)我們通常指定整堆大小就好了。