1. G1垃圾收集器

应用程序所应对的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有 GC 就不能保证应用程序正常进行，而经常造成 STW 的 GC 又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对 GC 进行优化。G1（Garbage-First）垃圾回收器是在 Java7 update4 之后引入的一个新的垃圾回收器，是当今收集器技术发展的最前沿成果之一。与此同时，为了适应现在不断扩大的内存和不断增加的处理器数量，进一步降低暂停时间（pause time），同时兼顾良好的吞吐量。官方给 G1 设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。

1.1 为什么名字叫 Garbage First(G1)呢？

因为 G1 是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域（Region）（物理上不连续的）。使用不同的 Region 来表示 Eden、幸存者 0 区，幸存者 1 区，老年代等。

G1 GC 有计划地避免在整个 Java 堆中进行全区域的垃圾收集。G1 跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的 Region。

由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间（Region），所以我们给 G1 一个名字：垃圾优先（Garbage First）。

G1（Garbage-First）是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配备多核 CPU 及大容量内存的机器，以极高概率满足 GC 停顿时间的同时，还兼具高吞吐量的性能特征。

在 JDK1.7 版本正式启用，移除了 Experimenta1 的标识，是JDK9 以后的默认垃圾回收器，取代了 CMS 回收器以及 Parallel+Parallel Old 组合。被 Oracle 官方称为“全功能的垃圾收集器”。

与此同时，CMS 已经在 JDK9 中被标记为废弃（deprecated）。在 jdk8 中还不是默认的垃圾回收器，需要使用 -XX:+UseG1GC 来启用。

1.2 G1 回收器的特点

与其他 GC 收集器相比，G1 使用了全新的分区算法，其特点如下所示：

1.2.1 并行与并发

并行性：G1 在回收期间，可以有多个 GC 线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程 STW
并发性：G1 拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况

1.2.2 分代收集

从分代上看，G1 依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有 Eden 区和 Survivor 区。但从堆的结构上看，它不要求整个 Eden 区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。
将堆空间分为若干个区域（Region），这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代；

1.2.3 空间整合

CMS：“标记-清除”算法、内存碎片、若干次 Gc 后进行一次碎片整理
G1 将内存划分为一个个的 region。内存的回收是以 region 作为基本单位的。Region 之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩（Mark-Compact）算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次 GC。尤其是当 Java 堆非常大的时候，G1 的优势更加明显。

1.2.4 可预测的停顿时间模型

即软实时 soft real-time，这是 G1 相对于 CMS 的另一大优势，G1 除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为 M 毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过 N 毫秒。

由于分区的原因，G1 可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
G1 跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的 Region。保证了 G1 收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
相比于 CMSGC，G1 未必能做到 CMS 在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。

1.2.5 G1 垃圾收集器的缺点

相较于 CMS，G1 还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中，G1 无论是为了垃圾收集产生的内存占用（Footprint）还是程序运行时的额外执行负载（Overload）都要比 CMS 要高。
从经验上来说，在小内存应用上 CMS 的表现大概率会优于 G1，而 G1 在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在 6-8GB 之间。

1.3 分区 Region：化整为零

1.3.1 Region

使用 G1 收集器时，它将整个 Java 堆划分成约 2048 个大小相同的独立 Region 块，每个 Region 块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在 1MB 到 32MB 之间，且为 2 的 N 次幂，即 1MB，2MB，4MB，8MB，16MB，32MB。可以通过-XX:G1HeapRegionSize设定。所有的 Region 大小相同，且在 JVM 生命周期内不会被改变。

虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分 Region（不需要连续）的集合。通过 Region 的动态分配方式实现逻辑上的连续。

一个 region 有可能属于 Eden，Survivor 或者 Old/Tenured 内存区域。但是一个 region 只可能属于一个角色。图中的 E 表示该 region 属于 Eden 内存区域，S 表示属于 survivor 内存区域，O 表示属于 Old 内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。

G1 垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做 Humongous 内存区域，如图中的 H 块。主要用于存储大对象，如果超过 1.5 个 region，就放到 H。

设置 H 的原因：对于堆中的对象，默认直接会被分配到老年代，但是如果它是一个短期存在的大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，它用来专门存放大对象。如果一个 H 区装不下一个大对象，那么 G1 会寻找连续的 H 区来存储。为了能找到连续的 H 区，有时候不得不启动 Full GC。G1 的大多数行为都把 H 区作为老年代的一部分来看待。

每个 Region 都是通过指针碰撞来分配空间

1.3.2 G1 垃圾回收器的回收过程

G1 GC 的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：

年轻代 GC（Young GC）
老年代并发标记过程（Concurrent Marking）
混合回收（Mixed GC）
（如果需要，单线程、独占式、高强度的 Full GC 还是继续存在的。它针对 GC 的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。）

顺时针，Young gc -> Young gc + Concurrent mark(Old gc) ->Mixed GC 顺序，进行垃圾回收，有可能触发Full GC。应用程序分配内存，当年轻代的 Eden 区用尽时开始年轻代回收过程；G1 的年轻代收集阶段是一个并行的独占式收集器。在年轻代回收期，G1GC 暂停所有应用程序线程，启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到 Survivor 区间或者老年区间，也有可能是两个区间都会涉及。当堆内存使用达到一定值（默认 45%）时，开始老年代并发标记过程。标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期，G1 GC 从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同，老年代的 G1 回收器和其他 GC 不同，G1 的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的 Region 就可以了。同时，这个老年代 Region 是和年轻代一起被回收的。

举个例子：一个 Web 服务器，Java 进程最大堆内存为 4G，每分钟响应 1500 个请求，每 45 秒钟会新分配大约 2G 的内存。G1 会每 45 秒钟进行一次年轻代回收，每 31 个小时整个堆的使用率会达到 45%，会开始老年代并发标记过程，标记完成后开始四到五次的混合回收。

1.3.3 Remembered Set 记忆集

G1 的缺点是需要额外10%-20%的内存空间，其中一部分就是用来存储记忆集。

一个对象被不同区域（E->E, O->E）引用的问题
一个 Region 不可能是孤立的，一个 Region 中的对象可能被其他任意 Region 中对象引用（新生代被老年代引用，老年代被新生代引用），判断对象存活时，是否需要扫描整个 Java 堆才能保证准确？
在其他的分代收集器，也存在这样的问题（而 G1 更突出）回收新生代也不得不同时扫描老年代？
这样的话会降低 MinorGC 的效率；

解决方法：

无论 G1 还是其他分代收集器，JVM 都是使用 Remembered Set 来避免全局扫描；
每个 Region 都有一个对应的 Remembered Set；
每次 Reference 类型数据写操作时，都会产生一个 Write Barrier 暂时中断操作；
然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该 Reference 类型数据在不同的 Region（其他收集器：检查老年代对象是否引用了新生代对象）；
如果不同，通过 CardTable 把相关引用信息记录到引用指向对象的所在 Region 对应的 Remembered Set 中；
当进行垃圾收集时，在 GC 根节点的枚举范围加入 Remembered Set；就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。

1.4 回收过程

G1 中提供了三种垃圾回收模式：Young GC、Mixed GC 和 Full GC，在不同的条件下被触发。

1.4.1 G1 年轻代 GC（GC频繁）

JVM 启动时，G1 先准备好 Eden 区，程序在运行过程中不断创建对象到 Eden 区，当 Eden 空间耗尽时（和 Survivor 区占用无关），G1 会启动一次年轻代垃圾回收过程。

年轻代垃圾回收只会回收 Eden 区和 Survivor 区。

首先 G1 停止应用程序的执行（Stop-The-World），G1 创建回收集（Collection Set），回收集是指需要被回收的内存分段的集合，年轻代回收过程的回收集包含年轻代 Eden 区和 Survivor 区所有的内存分段。

然后开始如下回收过程：

第一阶段，扫描根。根是指 static 变量指向的对象，正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同 RSet 记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。
第二阶段，更新 RSet。处理 dirty card queue 中的 card，更新 RSet。此阶段完成后，RSet 可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。
第三阶段，处理 RSet。识别被老年代对象指向的 Eden 中的对象，这些被指向的 Eden 中的对象被认为是存活的对象。
第四阶段，复制对象。此阶段，对象树被遍历，Eden 区内存段中存活的对象会被复制到 Survivor 区中空的内存分段，Survivor 区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值，年龄会加 1，达到阀值会被会被复制到 Old 区中空的内存分段。如果 Survivor 空间不够，Eden 空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。
第五阶段，处理引用。处理 Soft，Weak，Phantom，Final，JNI Weak 等引用。最终 Eden 空间的数据为空，GC 停止工作，而目标内存中的对象都是连续存储的，没有碎片，所以复制过程可以达到内存整理的效果，减少碎片。

处理 dirty card queue：对于应用程序的引用赋值语句object.field=object，JVM会在之前和之后执行特殊的操作以在dirtycardqueue中入队一个保存了对象引用信息的card。在年轻代回收的时候，G1会对Dirty Card Queue中所有的card进行处理，以更新RSet，保证RSet实时准确的反映引用关系。那为什么不在引用赋值语句处直接更新RSet呢?这是为了性能的需要，RSet的处理需要线程同步，开销会很大，使用队列性能会好很多。

1.4.2 G1 并发标记过程

初始标记阶段：标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是 STW 的，并且会触发一次年轻代 GC。
根区域扫描（Root Region Scanning）：G1 GC 扫描 Survivor 区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。这一过程必须在 YoungGC 之前完成（YoungGC要修改Survivor 区）。
并发标记（Concurrent Marking）：在整个堆中进行并发标记（和应用程序并发执行），此过程可能被 YoungGC 中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性（区域中存活对象的比例）。
再次标记（Remark）：由于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果。是 STW 的。G1 中采用了比 CMS 更快的初始快照算法：snapshot-at-the-beginning（SATB）。
独占清理（cleanup，STW）：计算各个区域的存活对象和 GC 回收比例，并进行排序，识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是 STW 的。这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集
并发清理阶段：识别并清理完全空闲的区域。

1.4.3 G1 Mixed GC

当越来越多的对象晋升到老年代 old region 时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即 Mixed GC，该算法并不是一个 Old GC，除了回收整个 Young Region，还会回收一部分的 Old Region。这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代。可以选择哪些 Old Region 进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是 Mixed GC 并不是 Full GC。

并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下，这些老年代的内存分段会分 8 次（可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置）被回收

混合回收的回收集（Collection Set）包括八分之一的老年代内存分段，Eden 区内存分段，Survivor 区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样，只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程请参考上面的年轻代回收过程。

由于老年代中的内存分段默认分 8 次回收，G1 会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收，-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent，默认为 65%，意思是垃圾占内存分段比例要达到 65%才会被回收。如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会花费更多的时间。

混合回收并不一定要进行 8 次。有一个阈值-XX:G1HeapWastePercent，默认值为 10%，意思是允许整个堆内存中有 10%的空间被浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于 10%，则不再进行混合回收。因为 GC 会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。

1.4.4 G1 Full GC

G1 的初衷就是要避免 Full GC 的出现。但是如果上述方式不能正常工作，G1 会停止应用程序的执行（Stop-The-World），使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。

要避免 Full GC 的发生，一旦发生需要进行调整。什么时候会发生 Full GC 呢？比如堆内存太小，当 G1 在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到 Full GC，这种情况可以通过增大内存解决；比如暂停时间设置过小，每次只回收很小一部分垃圾，用户线程并发执行产生更多的垃圾，导致空间耗尽。

导致 G1 Full GC（制造速度大于清理）的原因可能有两个：

Evacuation 的时候没有足够的 to-space 来存放晋升的对象；
并发处理过程完成之前空间耗尽。

1.5 G1 回收器的参数设置

1.5.1 性能调优

G1 的设计原则就是简化 JVM 性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

开启 G1 垃圾收集器
设置堆的最大内存
设置最大的停顿时间

-XX:+UseG1GC：手动指定使用 G1 垃圾收集器执行内存回收任务

-XX:G1HeapRegionSize 设置每个 Region 的大小。值是 2 的幂，范围是 1MB 到 32MB 之间，目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。默认是堆内存的 1/2000。

-XX:MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大 GC 停顿时间指标（JVM 会尽力实现，但不保证达到）。默认值是 200ms（人的平均反应速度）

-XX:+ParallelGCThread 设置 STW GC 线程数的值。最多设置为 8（上面说过 Parallel 回收器的线程计算公式，当 CPU_Count > 8 时，ParallelGCThreads 也会大于 8）

-XX:ConcGCThreads 设置并发标记的线程数。将 n 设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGCThreads）的 1/4 左右。

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 设置触发并发 GC 周期的 Java 堆占用率阈值。超过此值，就触发 GC。默认值是 45。

1.5.2 G1 回收器优化建议

年轻代大小

避免使用-Xmn或-XX:NewRatio等相关选项显式设置年轻代大小
固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标

暂停时间目标不要太过严苛

G1 GC 的吞吐量目标是 90%的应用程序时间和 10%的垃圾回收时间
评估 G1 GC 的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这些会直接影响到吞吐量。

1.6 G1 收集器的适用场景

面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。（在普通大小的堆里表现并不惊喜）

最主要的应用是需要低 GC 延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案；如：在堆大小约 6GB 或更大时，可预测的暂停时间可以低于 0.5 秒；（G1 通过每次只清理一部分而不是全部的 Region 的增量式清理来保证每次 GC 停顿时间不会过长）。

用来替换掉 JDK1.5 中的 CMS 收集器；在下面的情况时，使用 G1 可能比 CMS 好：

超过 50%的 Java 堆被活动数据占用；
对象分配频率或年代提升频率变化很大；
GC 停顿时间过长（长于 0.5 至 1 秒）

HotSpot 垃圾收集器里，除了 G1 以外，其他的垃圾收集器使用内置的 JVM 线程执行 GC 的多线程操作，而 G1 GC 可以采用应用线程承担后台运行的 GC 工作，即当 JVM 的 GC 线程处理速度慢时，系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。

1.7 7 种经典垃圾回收器总结

2. GC 日志分析

通过阅读 Gc 日志，我们可以了解 Java 虚拟机内存分配与回收策略。内存分配与垃圾回收的参数列表

-XX:+PrintGC 输出 GC 日志。类似：-verbose:gc
-XX:+PrintGCDetails 输出 GC 的详细日志
-XX:+PrintGCTimestamps 输出 GC 的时间戳（以基准时间的形式）
-XX:+PrintGCDatestamps 输出 GcC 的时间戳（以日期的形式，如 2013-05-04T21：53：59.234+0800）
-XX:+PrintHeapAtGC 在进行 GC 的前后打印出堆的信息
-Xloggc:../logs/gc.log 日志文件的输出路径

日志补充说明

"[GC"和"[Full GC"说明了这次垃圾收集的停顿类型，如果有"Full"则说明 GC 发生了"Stop The World"
使用 Serial 收集器在新生代的名字是 Default New Generation，因此显示的是"[DefNew"
使用 ParNew 收集器在新生代的名字会变成"[ParNew"，意思是"Parallel New Generation"
使用 Parallel scavenge 收集器在新生代的名字是”[PSYoungGen"
老年代的收集和新生代道理一样，名字也是收集器决定的
使用 G1 收集器的话，会显示为"garbage-first heap"
Allocation Failure 表明本次引起 GC 的原因是因为在年轻代中 Eden 没有足够的空间能够存储新的数据，导致内存空间分配失败。
[PSYoungGen：5986K->696K(8704K) ] 5986K->704K(9216K)

[]中括号内：GC 回收前年轻代大小，回收后大小，（年轻代总大小）

[]括号外：GC 回收前年轻代和老年代大小，回收后大小（年轻代和老年代总大小）
user 代表用户态回收耗时，sys 内核态回收耗时，real 实际耗时。由于多核的原因，时间总和可能会超过 real 时间

Heap（堆）占用情况说明
PSYoungGen（Parallel Scavenge收集器新生代）total 9216K，used 6234K [0x00000000ff600000,0x0000000100000000,0x0000000100000000)
eden space（堆中的Eden区默认占比是8）8192K，768 used [0x00000000ff600000,0x00000000ffc16b08,0x00000000ffe00000)
from space（堆中的Survivor，这里是From Survivor区默认占比是1）1024K， 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x0000000100000000)
to space（堆中的Survivor，这里是to Survivor区默认占比是1，需要先了解一下堆的分配策略）1024K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x00000000fff00000)ParOldGen（老年代总大小和使用大小）total 10240K， used 7001K ［0x00000000fec00000,0x00000000ff600000,0x00000000ff600000)
object space（显示个使用百分比）10240K，688 used [0x00000000fec00000,0x00000000ff2d6630,0x00000000ff600000)PSPermGen（永久代总大小和使用大小）total 21504K， used 4949K [0x00000000f9a00000,0x00000000faf00000,0x00000000fec00000)
object space（显示个使用百分比，自己能算出来）21504K， 238 used [0x00000000f9a00000,0x00000000f9ed55e0,0x00000000faf00000)

Minor GC 日志

Full GC 日志

2.1 案例分析

2.1.1 查看heap内存分配

/*** @author Shawn* @date 2022/7/3 9:13* @title GC 日志分析** -verbose:gc -Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseSerialGC*/
public class GCLogTest1 {public static final int _1M = 1024*1024;public static void testAllocation() {byte[] arr1,arr2,arr3,arr4;arr1 = new byte[2 * _1M];arr2 = new byte[2 * _1M];arr3 = new byte[2 * _1M];arr4 = new byte[4 * _1M];}public static void main(String[] args) {testAllocation();}
}[GC (Allocation Failure) [DefNew: 8142K->616K(9216K), 0.0029725 secs] 8142K->6760K(19456K), 0.0030064 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heapdef new generation   total 9216K, used 4878K [0x00000000fec00000, 0x00000000ff600000, 0x00000000ff600000)eden space 8192K,  52% used [0x00000000fec00000, 0x00000000ff029848, 0x00000000ff400000)from space 1024K,  60% used [0x00000000ff500000, 0x00000000ff59a0a0, 0x00000000ff600000)to   space 1024K,   0% used [0x00000000ff400000, 0x00000000ff400000, 0x00000000ff500000)tenured generation   total 10240K, used 6144K [0x00000000ff600000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)the space 10240K,  60% used [0x00000000ff600000, 0x00000000ffc00030, 0x00000000ffc00200, 0x0000000100000000)Metaspace       used 3290K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768Kclass space    used 357K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

2.1.2 GC 日志分析工具

常用的日志分析工具有：GCViewer、GCEasy、GCHisto、GCLogViewer、Hpjmeter、garbagecat 等

updating...

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