G1垃圾回收器

G1垃圾回收器

G1的内存结构和传统的内存空间划分有比较的不同。G1将内存划分成了多个(约2048个)大小相等的Region（大小是1M-32M之间并且是2的N次方），Region逻辑上连续，物理内存地址不连续。同时每个Region被标记成E、S、O、H，分别表示Eden、Survivor、Old、Humongous。其中E、S属于年轻代，O与H属于老年代。

示意图如下：

H表示Humongous。从字面上就可以理解表示大的对象（下面简称H对象）。当分配的对象大于等于Region大小的一半的时候就会被认为是巨型对象。H对象默认分配在老年代，可以防止GC的时候大对象的内存拷贝。通过如果发现堆内存容不下H对象的时候，会触发一次GC操作。

跨代引用

在进行Young GC的时候，Young区的对象可能还存在Old区的引用， 这就是跨代引用的问题。为了解决Young GC的时候，扫描整个老年代，G1引入了Card Table和Remember Set的概念，基本思想就是用空间换时间。这两个数据结构是专门用来处理Old区到Young区的引用。Young区到Old区的引用则不需要单独处理，因为Young区中的对象本身变化比较大，没必要浪费空间去记录下来。

RSet：全称Remembered Sets, 用来记录外部指向本Region的所有引用，每个Region维护一个RSet。

Card: JVM将内存划分成了固定大小的Card。这里可以类比物理内存上page的概念。

下图展示的是RSet与Card的关系。每个Region被分成了多个Card，其中绿色部分的Card表示该Card中有对象引用了其他Card中的对象，这种引用关系用蓝色实线表示。RSet其实是一个HashTable，Key是Region的起始地址，Value是Card Table（字节数组）,字节数组下标表示Card的空间地址，当该地址空间被引用的时候会被标记为dirty_card。

G1的GC模式

Young GC

Young GC 回收的是所有年轻代的Region。当E区不能再分配新的对象时就会触发。E区的对象会移动到S区，当S区空间不够的时候，E区的对象会直接晋升到O区，同时S区的数据移动到新的S区，如果S区的部分对象到达一定年龄，会晋升到O区。

Yung GC过程示意图如下：

Mixed GC

Mixed GC 翻译过来叫混合回收。之所以叫混合是因为回收所有的年轻代的Region+部分老年代的Region。

1、为什么是老年代的部分Region？

2、什么时候触发Mixed GC?

这两个问题其实可以一并回答。回收部分老年代是参数-XX:MaxGCPauseMillis，用来指定一个G1收集过程目标停顿时间，默认值200ms，当然这只是一个期望值。G1的强大之处在于他有一个停顿预测模型（Pause Prediction Model），他会有选择的挑选部分Region，去尽量满足停顿时间，关于G1的这个模型是如何建立的，这里不做深究。

Mixed GC的触发也是由一些参数控制。比如XX:InitiatingHeapOccupancyPercent表示老年代占整个堆大小的百分比，默认值是45%，达到该阈值就会触发一次Mixed GC。

Mixed GC主要可以分为两个阶段：

1、全局并发标记（global concurrent marking）

全局并发标记又可以进一步细分成下面几个步骤：

初始标记（initial mark，STW）。它标记了从GC Root开始直接可达的对象。初始标记阶段借用young GC的暂停，因而没有额外的、单独的暂停阶段。

并发标记（Concurrent Marking）。这个阶段从GC Root开始对heap中的对象标记，标记线程与应用程序线程并行执行，并且收集各个Region的存活对象信息。过程中还会扫描上文中提到的SATB write barrier所记录下的引用。

最终标记（Remark，STW）。标记那些在并发标记阶段发生变化的对象，将被回收。

清除垃圾（Cleanup，部分STW）。这个阶段如果发现完全没有活对象的region就会将其整体回收到可分配region列表中。 清除空Region。

2、拷贝存活对象（Evacuation）

Evacuation阶段是全暂停的。它负责把一部分region里的活对象拷贝到空region里去（并行拷贝），然后回收原本的region的空间。Evacuation阶段可以自由选择任意多个region来独立收集构成收集集合（collection set，简称CSet），CSet集合中Region的选定依赖于上文中提到的停顿预测模型，该阶段并不evacuate所有有活对象的region，只选择收益高的少量region来evacuate，这种暂停的开销就可以（在一定范围内）可控。

Mixed GC的清理过程示意图如下：

Full GC

Full GC是采用serial old Full GC,G1的垃圾回收过程是和应用程序并发执行的，当Mixed GC的速度赶不上应用程序申请内存的速度的时候，Mixed G1就会降级到Full GC，使用的是serial old Full GC。Full GC会导致长时间的STW，应该要尽量避免