JVM之G1垃圾回收器

G1垃圾回收器

stop the world，这个是最痛的一个点！无论是新生代垃圾回收，还是老年代垃圾回收，都会或多或少产生“stop the world”现象，对系统的运行时有一定影响的。所以其实之后对垃圾回收器的优化，都是朝着减少“stop the world”的目标去做的。在这个基础上，G1垃圾回收器就应运而生，它可以提供比组合更好的垃圾回收的性能。

G1垃圾回收器是可以同时回收新生代和老年代的对象的，不需要两个垃圾回收器配合起来运作，它一个人就可以搞定所有的垃圾回收。它最大的一个特点，就是把java堆内存拆分为多个大小相等的Region，如下图：

G1.png
但是G1仍然有新生代和老年代的概念，只不过是逻辑上的概念。也就是说，新生代可能包含了某些Region，老年代可能包含了某些Region，如下图：
G1-Region.jpg
G1最大的一个特点就是可以让我们设置。也就是说我们可以指定G1在垃圾回收的时候，可以保证在1小时内由G1垃圾回收导致的“stop the world”时间，也就是系统停顿的时间，不能超过1分钟。这样就相当于我们可以直接控制垃圾回收对系统性能的影响。

G1如果要做到这一点，它就必须要追踪每个Region里的回收价值，什么叫做回收价值？它必须搞清楚每个Region里的对象有多少是垃圾，如果对这个Region进行垃圾回收，需要耗费多长时间，可以回收掉多少垃圾。

简单来说，G1可以做到让你来设定垃圾回收对系统的影响，它自己通过把内存拆分为大量小Region，以及追踪每个Region中可以回收的对象大小和预估时间，最后在垃圾回收的时候，尽量把垃圾回收对系统造成的影响控制在你指定的时间范围内，同时在有限的时间内尽量回收尽可能多的垃圾对象，这就是G1的核心设计思路。

刚开始Region可能谁都不属于，然后就分配给了新生代，放了很多属于新生代的对象，接着触发了垃圾回收这个Region，然后下一次这个Region可能又被分配给了老年代，用来放老年代长期存活的对象。所以G1对应的内存模型中，Region随时会属于新生代，也会属于老年代，所以没有所谓新生代给多少内存，老年代给多少内存这一说了。实际上新生代和老年代各自的内存区域是不停的变动的，由G1自动控制。

我们现在来思考两个问题：
1、到底有多少个Region？
2、每个Region的大小是多大呢？
其实默认情况下是自动计算和设置的，我们可以给整个堆内存设置一个大小，比如说用“-Xms”和“-Xmx”来设置堆内存的大小。然后jvm启动的时候一旦发现你使用的是G1垃圾回收器，可以使用“-XX:UserG1GC”来指定使用G1垃圾回收器，此时会自动用堆大小除以2048，因为jvm最多可以有2048个Region，然后Region的大小必须是2的倍数，比如说2MB、4MB之类的。大概就是这样子来决定Region的数量和大小的，大家一般保持默认的计算方式就可以。如果通过手动方式来指定，则可以通过“-XX:G1HeapRegionSize”参数来设置。

Region1.jpg

刚开始的时候，默认新生代堆内存的占比是5%，也就是占据200MB左右的内存，对应大概是100个Region，这个可以通过“-XX:G1NewSizePercent”来设置新生代的初始占比，其实维持这个默认值即可。因为在系统运行中，jvm其实会不停的给新生代增加更多的Region，但是新生代的占比最多不会超过60%，但是可以通过“-XX:G1MaxNewSizePercent”参数来调整比例。而且一旦Region进行了垃圾回收，此时新生代的Region数量还会减少，这些其实都是动态的。

其实在G1中虽然把内存划分为了很多的Region，但还是有新生代、老年代的区分。而且新生代里还是有Eden和Survivor的划分的，所以大家会发现之前学习的很多技术原理在G1时期都是有用的。大家应该还记得之前说过的一个新生代的参数，“-XX:SurvivorRatio=8”，所以这里还是可以区分出来属于新生代的Region里哪些属于Eden区，哪些属于Survivor区。比如之前说新生代刚开始的时候，有100个Region，那么可能80个Region就是Eden区，两个Survivor区各自占10个Region。因为新生代的Region数量是动态的，所以随着对象不停的在新生代里分配，属于新生代的Region会不断增加，Eden和Survivor对应的Region也会不断增加。

G1的新生代垃圾回收

既然G1的新生代也有Eden和Survivor的区分，那么触发垃圾回收的机制都是类似的。随着不停的在新生代的Eden区对应的Region中放对象，jvm就会不停的给新生代加入更多的Region，直到新生代占据堆大小的最大比例60%为止。一旦新生代达到了设定的占据堆内存的最大大小60%，这个时候就会触发新生代的GC，G1就会用之前说过的复制算法来进行垃圾回收，进入一个“stop the world”状态，然后把Eden区对应的Region中的存活对象放入S1区对应的Region中，接着回收掉Eden区对应的Region中的垃圾对象。，因为G1是可以设定目标GC停顿时间的，也就是G1执行GC的时候最多可以让系统停顿多长时间，可以通过“-XX:MaxGCPauseMills”参数来设定，默认值是200ms，那么在程序运行期间G1会根据你设定的gc停顿时间给新生代不停分配Region，然后到一定程度，就会触发新生代gc，保证新生代gc的时候导致的系统停顿时间在你预设的范围内，当然这个数字并不是那么的精准。

我们都知道，在G1的内存模型下，新生代和老年代各自都会占据一定的Region，老年代也会有自己的Region。按照默认新生代最大只能占据堆内存60%的Region来推算，老年代最多可以占据40%的Region，大概就是800个左右的Region。
可以说跟之前几乎是一样的，还是这么几个条件：
1、对象在新生代躲过了很多次的垃圾回收，达到了一定的年龄了它就会进入老年代，“-XX:MaxTenuringThreshold”参数可以设置这个年龄。
2、动态年龄判定规则，如果一旦发现某次新生代GC过后，存活对象超过了Survivor的50%，此时就会判断一下，比如年龄为1岁，2岁，3岁，4岁的对象的大小总和超过了Survivor的50%，此时4岁以上的对象全部会进入老年代，这就是动态年龄判定规则。

以前说是那种大对象也是可以直接进入老年代的，那么现在在G1这套内存模型下呢？实际上这里会有所改变，G1提供了专门的Region来存放大对象，而不是让大对象进入老年代中的Region。在G1中，大对象的判断规则就是一个大对象超过了一个Region大小的50%，而且一个大对象如果太大，可能会横跨多个Region来存放。不是说60%给新生代，40%给老年代吗，那还有Region给大对象？我们现在知道，在G1里，新生代和老年代的Region是不停变化的。比如新生代现在占据了1200个Region，但是一次垃圾回收之后，就让里面1000个Region都空了，此时那1000个Region就可以不属于新生代了，里面很多Region可以用来存放大对象。那么大对象既然不属于新生代和老年代，那么什么时候会触发垃圾回收呢？其实新生、老年代在回收的时候，会顺带带着大对象Region一起回收，所以，这就是在G1内存模型下对大对象的分配和回收的策略。

G1有一个参数是“-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent”，它的默认值是45%，意思是说，如果老年代占据了堆内存的45%的Region的时候，此时会尝试触发一次新生代+老年代一起回收的混合回收阶段。

G1垃圾回收的过程

，这个过程是需要进入“stop the world”的，但这个过程仅仅只是标记一下GC Roots直接能引用的对象，所以速度是很快的。，这个阶段会允许系统程序运行，同时进行GC Roots追踪，从GC Roots开始追踪所有的存活对象，这个过程加入了对间接引用对象的追踪，这个过程前面的文章已经介绍过了，这里就不再赘述。，这个阶段会进入“stop the world”，系统程序会禁止运行，最终标记一下有哪些是存活对象，有哪些是垃圾对象。，这个阶段会计算老年代中每个Region中的存活对象数量，存活对象占比，还有执行垃圾回收的预期性能和效率。接着会停止系统程序，然后全力以赴进行垃圾回收，此时会选择部分Region进行回收，因为必须让垃圾回收的停顿时间控制在我们指定的范围内，所以说它会从新生代、老年代、大对象里各自挑选一些Region，保证用指定的时间回收尽可能多的垃圾，这就是所谓的混合回收。

G1垃圾回收器的一些参数
最后一个阶段混合回收的时候，会停止所有程序运行，所以说G1是允许执行多次混合回收。比如先停止工作，执行一次混合回收，回收掉一些Region，接着恢复系统运行，然后再次停止系统运行，再执行一次混合回收，回收掉一些Region。有一些参数可以控制这个，比如“-XX:G1MixedGCCountTarget”参数，就是一次混合回收的过程中，最后一个阶段执行几次混合回收，默认值是8次。这样的好处是不让系统停止的时间过长。还有一个参数就是“-XX:G1HeapWastePercent”，默认值是5%，它的意思是说，在回收的过程中会不断空出来新的Region，一旦空闲出来的Region数量达到了堆内存的5%，此时就会立即停止混合回收，意味着本次混合回收就结束了。
G1整体是基于复制算法进行Region垃圾回收的，不会出现内存碎片的问题，不需要像CMS那样标记-清理之后再进行内存碎片的整理。
还有一个参数，“-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent”，它的默认值是85%，意思是确定要回收的Region的时候，必须是存活对象低于85%的Region才可以进行回收，否则要是一个Region的存活对象多余85%，回收它也作用不大，而且还要把85%的对象都拷贝到别的Region，这个成本是很高的。

万一出现拷贝的过程中发现没有空闲Region可以承载自己的存活对象了，就会触发一次失败。一旦失败，立马就会切换为停止系统程序，然后采用单线程进行标记、清理和压缩整理，空闲出来一批Region，这个过程是极慢的。

G1垃圾回收器的使用场景
当你的系统部署在大内存机器上的时候，比如说你的机器是32核64G的机器，此时你分配给系统的内存有几十个G，新生代的Eden区可能30~40G的内存。比如类似kafka、elasticsearch之类的大数据相关系统，都是部署在大内存的机器上的。此时如果你的系统负载非常的高，比如每秒几万的访问请求到kafka、elasticsearch上去，那么可能导致你Eden区的几十G内存频繁塞满，然后要触发垃圾回收，假设1分钟会塞满一次。然后每次垃圾回收要停掉kafka、elasticsearch的运行，然后执行垃圾回收大概需要几秒钟，此时你发现，可能每过一分钟，你的系统就要卡顿几秒钟，有的请求一旦卡死几秒钟就会超时报错，此时可能会导致你的系统频繁出错。！针对G1垃圾回收器，我们可以设置每次GC的停顿时间，比如我们设置100ms，那么每次垃圾回收我们的系统最多也就停顿100ms，然后系统继续运行。G1天生就适合这种大内存机器的jvm运行。

本文结束。