G1收集器 - 反光的小鱼儿

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概述

G1(Garbage-First )收集器是一种server-style 回收器,主要面向多核,大内存的服务器。G1 在实现高吞吐的同时,也最大限度满足了GC 停顿时间可控的目标。在Oracle JDK7 update 4 及 以后的版本全面支持G1 回收器功能。G1收集器主要为有如下需求的程序设计:

  • 可以像CMS 收集器 能同时和应用线程 一起并发的执行;
  • 实现压缩空间时用更少的停顿时间;
  • 满足可预测的GC停顿时间需求;
  • 不要牺牲太多的吞吐性能;
  • 不需要占用更多的Java Heap;

未来 G1 计划要全面取代CMS的。G1相比CMS有更多的优势,G1是压缩型收集器,G1通过依赖regions分区,可以实现压缩更充分。这样消除大部分潜在的碎片问题。G1提供更精准的可预测的垃圾停顿时间,满足用户指定垃圾回收时间的需求。

G1的收集都是STW的,但年轻代和老年代的收集界限比较模糊,采用了混合(mixed)收集的方式。即每次收集既可能只收集年轻代分区(年轻代收集),也可能在收集年轻代的同时,包含部分老年代分区(混合收集),这样即使堆内存很大时,也可以限制收集范围,从而降低停顿。对应GC的两个分类。(young gc、mixed gc)

GC分类

young gc、mixed gc、full gc(??)

年轻代收集集合 CSet of Young Collection

应用线程不断活动后,年轻代空间会被逐渐填满。当JVM分配对象到Eden区域失败(Eden区已满)时,便会触发一次STW式的年轻代收集。在年轻代收集中,Eden分区存活的对象将被拷贝到Survivor分区;原有Survivor分区存活的对象,将根据任期阈值(tenuring threshold)分别晋升到PLAB中,新的survivor分区和老年代分区。而原有的年轻代分区将被整体回收掉。

同时,年轻代收集还负责维护对象的年龄(存活次数),辅助判断老化(tenuring)对象晋升的时候是到Survivor分区还是到老年代分区。年轻代收集首先先将晋升对象尺寸总和、对象年龄信息维护到年龄表中,再根据年龄表、Survivor尺寸、Survivor填充容量-XX:TargetSurvivorRatio(默认50%)、最大任期阈值-XX:MaxTenuringThreshold(默认15),计算出一个恰当的任期阈值,凡是超过任期阈值的对象都会被晋升到老年代。

混合收集集合 CSet of Mixed Collection

年轻代收集不断活动后,老年代的空间也会被逐渐填充。当老年代占用空间超过整堆比IHOP阈值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默认45%)时,G1就会启动一次混合垃圾收集周期。为了满足暂停目标,G1可能不能一口气将所有的候选分区收集掉,因此G1可能会产生连续多次的混合收集与应用线程交替执行,每次STW的混合收集与年轻代收集过程相类似。

为了确定包含到年轻代收集集合CSet的老年代分区,JVM通过参数混合周期的最大总次数-XX:G1MixedGCCountTarget(默认8)、堆废物百分比-XX:G1HeapWastePercent(默认5%)。通过候选老年代分区总数与混合周期最大总次数,确定每次包含到CSet的最小分区数量;根据堆废物百分比,当收集达到参数时,不再启动新的混合收集。而每次添加到CSet的分区,则通过计算得到的GC效率进行安排。
下面详述。

G1年轻代收集

堆空间被分割成大约2048个区域。最小1M,最大32M,可设置。区域没有必要像旧的收集器一样是保持连续的。

活跃对象会被疏散(复制、移动)到一个或多个survivor区域。如果达到晋升总阈值(默认15),对象会晋升到年老代区域。 

这是一个stop the world暂停。为下一次年轻代垃圾回收计算Eden和Survivor的大小。保留审计信息有助于计算大小。类似目标暂停时间的事情会被考虑在内。

这个方法使重调区域大小变得很容易,按需把它们调大或调小。

关于G1的年轻代回收做以下总结:

  • 堆空间是一块单独的内存空间被分割成多个区域。
  • 年轻代内存是由一组非连续的区域组成。这使得需要重调大小变得容易。
  • 年轻代垃圾回收是stop the world事件,所有应用线程都会因此操作暂停。
  • 年轻代垃圾收集使用多线程并行回收。
  • 活跃对象被复制到新的Survivor区或者年老代区域。

G1老年代回收过程(mixed gc)

类似CMS收集器,G1收集器为年老代对象被设计成一个低暂停收集器。

G1垃圾收集器在堆上的年老代执行以下阶段。注意一些阶段是年轻代回收的一部分。

阶段描述
(1)初始标记(stop the world事件) 这是一个stop the world事件,使用G1回收器,背负着一个常规的年轻代收集。标记那些有引用到年老代的对象的survivor区(根区)
(2)根区扫描 为到年老代的引用扫描survivor区,这个发生在应用继续运行时。这个阶段在年轻代收集前必须完成
(3)并发标记 遍历整个堆寻找活跃对象,这个发生在应用运行时,这个阶段可以被年轻代垃圾回收打断。
(4)重新标记(stop the world事件) 完全标记堆中的活跃对象,使用一个叫作snapshot-at-the-beginning(SATB)的比CMS收集器的更快的算法
(5)清理(stop the world事件和并发) 在活跃对象上执行审计操作和释放区域空间(stop the world);净化已记忆集合(stop the world);重置空间区域和返回它们到空闲列表(并发)
(*)复制(stop the world事件) 这些是stop the world暂停为了疏散或者复制活跃对象到新的未使用的区域。这个可以由被记录为[GC Pause (young)]的年轻代区域或者被记录为[GC Pause (mixed)]年轻代和年老代区域完成


初始标记 Initial Mark

初始标记(Initial Mark)负责标记所有能被直接可达的根对象(原生栈对象、全局对象、JNI对象),根是对象图的起点,因此初始标记需要将Mutator线程(Java应用线程)暂停掉,也就是需要一个STW的时间段。事实上,当达到IHOP阈值时,G1并不会立即发起并发标记周期,而是等待下一次年轻代收集,利用年轻代收集的STW时间段,完成初始标记,这种方式称为借道(Piggybacking)。在初始标记暂停中,分区的NTAMS都被设置到分区顶部Top,初始标记是并发执行,直到所有的分区处理完。


根分区扫描 Root Region Scanning

在初始标记暂停结束后,年轻代收集也完成的对象复制到Survivor的工作,应用线程开始活跃起来。此时为了保证标记算法的正确性,所有新复制到Survivor分区的对象,都需要被扫描并标记成根,这个过程称为根分区扫描(Root Region Scanning),同时扫描的Suvivor分区也被称为根分区(Root Region)。根分区扫描必须在下一次年轻代垃圾收集启动前完成(并发标记的过程中,可能会被若干次年轻代垃圾收集打断),因为每次GC会产生新的存活对象集合。


并发标记 Concurrent Marking

和应用线程并发执行,并发标记线程在并发标记阶段启动,由参数-XX:ConcGCThreads(默认GC线程数的1/4,即-XX:ParallelGCThreads/4)控制启动数量,每个线程每次只扫描一个分区,从而标记出存活对象图。在这一阶段会处理Previous/Next标记位图,扫描标记对象的引用字段。同时,并发标记线程还会定期检查和处理STAB全局缓冲区列表的记录,更新对象引用信息。参数-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark会开启一个优化,如果一个类不可达(不是对象不可达),则在重新标记阶段,这个类就会被直接卸载。所有的标记任务必须在堆满前就完成扫描,如果并发标记耗时很长,那么有可能在并发标记过程中,又经历了几次年轻代收集。如果堆满前没有完成标记任务,则会触发担保机制,经历一次长时间的串行Full GC。


存活数据计算 Live Data Accounting

存活数据计算(Live Data Accounting)是标记操作的附加产物,只要一个对象被标记,同时会被计算字节数,并计入分区空间。只有NTAMS以下的对象会被标记和计算,在标记周期的最后,Next位图将被清空,等待下次标记周期。


重新标记 Remark

重新标记(Remark)是最后一个标记阶段。在该阶段中,G1需要一个暂停的时间,去处理剩下的SATB日志缓冲区和所有更新,找出所有未被访问的存活对象,同时安全完成存活数据计算。这个阶段也是并行执行的,通过参数-XX:ParallelGCThread可设置GC暂停时可用的GC线程数。同时,引用处理也是重新标记阶段的一部分,所有重度使用引用对象(弱引用、软引用、虚引用、最终引用)的应用都会在引用处理上产生开销。


清除 Cleanup

紧挨着重新标记阶段的清除(Clean)阶段也是STW的。Previous/Next标记位图、以及PTAMS/NTAMS,都会在清除阶段交换角色。清除阶段主要执行以下操作:

RSet梳理,启发式算法会根据活跃度和RSet尺寸对分区定义不同等级,同时RSet数理也有助于发现无用的引用。参数-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy可以开启打印启发式算法决策细节;
整理堆分区,为混合收集周期识别回收收益高(基于释放空间和暂停目标)的老年代分区集合;
识别所有空闲分区,即发现无存活对象的分区。该分区可在清除阶段直接回收,无需等待下次收集周期。

关键定义

分区(Region)

G1采用了分区(Region)的思路,将整个堆空间分成若干个大小相等的内存区域,每次分配对象空间将逐段地使用内存。因此,在堆的使用上,G1并不要求对象的存储一定是物理上连续的,只要逻辑上连续即可;每个分区也不会确定地为某个代服务,可以按需在年轻代和老年代之间切换。启动时可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize=n可指定分区大小(1MB~32MB,且必须是2的幂),默认将整堆划分为2048个分区。
Eden区、survivor区、old区、Humongous区

在G1中,还有一种特殊的区域,叫Humongous区域。 如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上,G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象,默认直接会被分配在年老代,但是如果它是一个短期存在的巨型对象,就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题,G1划分了一个Humongous区,它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象,那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区,有时候不得不启动Full GC。

尽量别申请超大的对象,现在暂时没有优化方法。

PS:在java 8中,持久代也移动到了普通的堆内存空间中,改为元空间。

对象分配策略

说起大对象的分配,我们不得不谈谈对象的分配策略。它分为3个阶段:

TLAB(Thread Local Allocation Buffer)线程本地分配缓冲区
Eden区中分配
Humongous区分配
TLAB为线程本地分配缓冲区,它的目的为了使对象尽可能快的分配出来。如果对象在一个共享的空间中分配,我们需要采用一些同步机制来管理这些空间内的空闲空间指针。在Eden空间中,每一个线程都有一个固定的分区用于分配对象,即一个TLAB。分配对象时,线程之间不再需要进行任何的同步。

对TLAB空间中无法分配的对象,JVM会尝试在Eden空间中进行分配。如果Eden空间无法容纳该对象,就只能在老年代中进行分配空间。

已记忆集合 Remember Set (RSet)

在CMS中,也有RSet的概念,在老年代中有一块区域用来记录指向新生代的引用。这是一种point-out,在进行Young GC时,扫描根时,仅仅需要扫描这一块区域,而不需要扫描整个老年代。

但在G1中,并没有使用point-out,这是由于一个分区太小,分区数量太多,如果是用point-out的话,会造成大量的扫描浪费,有些根本不需要GC的分区引用也扫描了。于是G1中使用point-in来解决。point-in的意思是哪些分区引用了当前分区中的对象。这样,仅仅将这些对象当做根来扫描就避免了无效的扫描。由于新生代有多个,那么我们需要在新生代之间记录引用吗?这是不必要的,原因在于每次GC时,所有新生代都会被扫描,所以只需要记录老年代到新生代之间的引用即可。

需要注意的是,如果引用的对象很多,赋值器需要对每个引用做处理,赋值器开销会很大,为了解决赋值器开销这个问题,在G1 中又引入了另外一个概念,卡表(Card Table)。

卡表(Card Table)

一个Card Table将一个分区在逻辑上划分为固定大小的连续区域,每个区域称之为卡。卡通常较小,介于128到512字节之间。Card Table通常为字节数组,由Card的索引(即数组下标)来标识每个分区的空间地址。默认情况下,每个卡都未被引用。当一个地址空间被引用时,这个地址空间对应的数组索引的值被标记为”0″,即标记为脏被引用,此外RSet也将这个数组下标记录下来。一般情况下,这个RSet其实是一个Hash Table,Key是别的Region的起始地址,Value是一个集合,里面的元素是Card Table的Index。

收集集合 CSet

收集集合(CSet)代表每次GC暂停时回收的一系列目标分区。在任意一次收集暂停中,CSet所有分区都会被释放,内部存活的对象都会被转移到分配的空闲分区中。因此无论是年轻代收集,还是混合收集,工作的机制都是一致的。年轻代收集CSet只容纳年轻代分区,而混合收集会通过启发式算法,在老年代候选回收分区中,筛选出回收收益最高的分区添加到CSet中。

候选老年代分区的CSet准入条件,可以通过活跃度阈值-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默认85%)进行设置,从而拦截那些回收开销巨大的对象;同时,每次混合收集可以包含候选老年代分区,可根据CSet对堆的总大小占比-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent(默认10%)设置数量上限。

由上述可知,G1的收集都是根据CSet进行操作的,年轻代收集与混合收集没有明显的不同,最大的区别在于两种收集的触发条件。

栅栏 Barrier

我们首先介绍一下栅栏(Barrier)的概念。栅栏是指在原生代码片段中,当某些语句被执行时,栅栏代码也会被执行。而G1主要在赋值语句中,使用写前栅栏(Pre-Write Barrrier)和写后栅栏(Post-Write Barrrier)。事实上,写栅栏的指令序列开销非常昂贵,应用吞吐量也会根据栅栏复杂度而降低。

写前栅栏 Pre-Write Barrrier

即将执行一段赋值语句时,等式左侧对象将修改引用到另一个对象,那么等式左侧对象原先引用的对象所在分区将因此丧失一个引用,那么JVM就需要在赋值语句生效之前,记录丧失引用的对象。JVM并不会立即维护RSet,而是通过批量处理,在将来RSet更新(见SATB)。

写后栅栏 Post-Write Barrrier

当执行一段赋值语句后,等式右侧对象获取了左侧对象的引用,那么等式右侧对象所在分区的RSet也应该得到更新。同样为了降低开销,写后栅栏发生后,RSet也不会立即更新,同样只是记录此次更新日志,在将来批量处理(见Concurrence Refinement Threads)。

起始快照算法 Snapshot at the beginning (SATB)

Taiichi Tuasa贡献的增量式完全并发标记算法起始快照算法(SATB),主要针对标记-清除垃圾收集器的并发标记阶段,非常适合G1的分区块的堆结构,同时解决了CMS的主要烦恼:重新标记暂停时间长带来的潜在风险。

SATB会创建一个对象图,相当于堆的逻辑快照,从而确保并发标记阶段所有的垃圾对象都能通过快照被鉴别出来。当赋值语句发生时,应用将会改变了它的对象图,那么JVM需要记录被覆盖的对象。因此写前栅栏会在引用变更前,将值记录在SATB日志或缓冲区中。每个线程都会独占一个SATB缓冲区,初始有256条记录空间。当空间用尽时,线程会分配新的SATB缓冲区继续使用,而原有的缓冲去则加入全局列表中。最终在并发标记阶段,并发标记线程(Concurrent Marking Threads)在标记的同时,还会定期检查和处理全局缓冲区列表的记录,然后根据标记位图分片的标记位,扫描引用字段来更新RSet。此过程又称为并发标记/SATB写前栅栏。

三色标记算法

提到并发标记,我们不得不了解并发标记的三色标记算法。它是描述追踪式回收器的一种有用的方法,利用它可以推演回收器的正确性。 首先,我们将对象分成三种类型的。

黑色:根对象,或者该对象与它的子对象都被扫描
灰色:对象本身被扫描,但还没扫描完该对象中的子对象
白色:未被扫描对象,扫描完成所有对象之后,最终为白色的为不可达对象,即垃圾对象
当GC开始扫描对象时,按照如下图步骤进行对象的扫描:

根对象被置为黑色,子对象被置为灰色。
继续由灰色遍历,将已扫描了子对象的对象置为黑色。

遍历了所有可达的对象后,所有可达的对象都变成了黑色。不可达的对象即为白色,需要被清理。

这看起来很美好,但是如果在标记过程中,应用程序也在运行,那么对象的指针就有可能改变。这样的话,我们就会遇到一个问题:对象丢失问题。

可行的方式:

  1. 在插入的时候记录对象
  2. 在删除的时候记录对象

刚好这对应CMS和G1的2种不同实现方式:

在CMS采用的是增量更新(Incremental update),只要在写屏障(write barrier)里发现要有一个白对象的引用被赋值到一个黑对象 的字段里,那就把这个白对象变成灰色的。即插入的时候记录下来。

在G1中,使用的是STAB(snapshot-at-the-beginning)的方式,删除的时候记录所有的对象,它有3个步骤:

1,在开始标记的时候生成一个快照图标记存活对象

2,在并发标记的时候所有被改变的对象入队(在write barrier里把所有旧的引用所指向的对象都变成非白的)

3,可能存在游离的垃圾,将在下次被收集

这样,G1到现在可以知道哪些老的分区可回收垃圾最多。 当全局并发标记完成后,在某个时刻,就开始了Mix GC。这些垃圾回收被称作“混合式”是因为他们不仅仅进行正常的新生代垃圾收集,同时也回收部分后台扫描线程标记的分区。
混合式GC也是采用的复制的清理策略,当GC完成后,会重新释放空间。

最佳实践、参数

当你使用G1时,你应该遵循的一些最佳实践。

  • 不用设置young区大小。通过 -Xmn设置young区的大小会干预G1回收的默认行为。设定young大小会导致G1设定的停顿时间目标失效。G1将不能按需去扩缩young区。

  • 响应时间指标。不要用平均的响应时间来设置 XX:MaxGCPauseMillis=<N>, 设置一个满足的90%目标的时间。这意味着90%的用户请求将不经历过长的响应时间。 记住预设停顿时间只是个目标,不是都能被满足的。

  • Evacuation Failure: 当没有足够的空间供存活对象或者晋升对象用的时候,会发生晋升失败。这时如果用-XX:+PrintGCDetails 开启GC log ,会打印出 to-space overflow 。这时GC 仍然继续,以求释放空间,没有被copy成功的对象 ,将会直接放在老年区,在要收集区里的 所有对RSets的更新都要被重新计算。这些步骤花销都比价大。

  • 如何避免evacuation failure: 加大堆的大小;加大-XX:G1ReservePercent=n,来为 'to-space'预留更多空间;增加marking线程数,通过 -XX:ConcGCThreads=n 选项;

触发Full GC

在某些情况下,G1触发了Full GC,这时G1会退化使用Serial收集器来完成垃圾的清理工作,它仅仅使用单线程来完成GC工作,GC暂停时间将达到秒级别的。整个应用处于假死状态,不能处理任何请求,我们的程序当然不希望看到这些。那么发生Full GC的情况有哪些呢? 有三个

(1)并发模式失败

      G1启动标记周期,但在Mix GC之前,老年代就被填满,这时候G1会放弃标记周期。这种情形下,需要增加堆大小,或者调整周期(例如增加线程数-XX:ConcGCThreads等)。

(2)晋升失败或者疏散失败

       G1在进行GC的时候没有足够的内存供存活对象或晋升对象使用,由此触发了Full GC。可以在日志中看到(to-space exhausted)或者(to-space overflow)。解决这种问题的方 式是:

a,增加 -XX:G1ReservePercent 选项的值(并相应增加总的堆大小),为“目标空间”增加预留内存量。

b,通过减少 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提前启动标记周期。

c,也可以通过增加 -XX:ConcGCThreads 选项的值来增加并行标记线程的数目。

(3)巨型对象分配失败

        当巨型对象找不到合适的空间进行分配时,就会启动Full GC,来释放空间。这种情况下,应该避免分配大量的巨型对象,增加内存或者增大-XX:G1HeapRegionSize,使巨型对象不再是巨型对象。

参数

Option and Default ValueDescription
-XX:+UseG1GC 开启G1回收器
-XX:MaxGCPauseMillis=n 设定最大的GC停顿时间。 这是一个软目标,JVM将近最大限度去实现。因此 这个停顿时间可能不会被满足。
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 开始并发GC的百分比。G1 通过该比例来触发GC,这个比例是基于全部的heap,而不是单单某个分区。 默认值是45%。
-XX:NewRatio=n Ratio of new/old generation sizes. The default value is 2.
-XX:SurvivorRatio=n Ratio of eden/survivor space size. The default value is 8.
-XX:MaxTenuringThreshold=n Maximum value for tenuring threshold. The default value is 15.
-XX:ParallelGCThreads=n 设置并行回收阶段,GC所要用到的线程数。默认值随着JVM所运行的平台不同而变化。
-XX:ConcGCThreads=n 设置GC并发的线程数。默认值随着JVM所运行的平台不同而变化。
-XX:G1ReservePercent=n 加大-XX:G1ReservePercent=n,来为 'to-space'预留更多空间,防止晋升失败。默认值是10。
-XX:G1HeapRegionSize=n 指定region的大小。默认值是根据所开堆空间大小来计算的。region最大值是32Mb,最小值是1Mb。

本文来自:博客园

感谢作者:博客园

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