文章目录

G1垃圾收集器
- 定义
- G1的优势
- G1架构
- G1 内存布局
- G1可以让用户自己设置应用暂停时间，为什么可以做到这一点？
G1 缺点
- G1 GC模式
- - G1 Young GC
  - Mixed GC
什么时候用G1
G1的瓶颈：
- 整体停顿分析
ZGC 垃圾收集器
- 核心原理
- 核心收集流程
ZGC 缺点

G1垃圾收集器

引入问题G1 垃圾收集器架构，为什么可以指定时间。？

定义

G1 即 garbage first ，意思是优先处理那些垃圾多的内存块的意思。
G1 适用于新生代和老年代。是利用复制算法实现

G1是一款可以实现高吞吐量，同时可以保证GC停顿时间不会很长的垃圾收集器

G1的优势

适用于大容量的内容，多核的处理器
可以实现并发收集垃圾，和用户程序能同时运行
整理内存不需要大量的暂停时间
能保持较高吞吐量，可以预测GC停顿时间

G1架构

传统的垃圾收集器是将堆内存划分为几块固定大小的内存区域，eden , survivor , old 。
而G1 垃圾收集器是将内存划分了很多个小块Region，每一个小块都会被标记为eden 、 survivor 或者old 。
这样做的好处是，内存块的粒度更小，可以更加细化的管理内存，这样每一次垃圾回收就不需要把一大块的eden或者old内进行回收，只需要针对小块的region进行回收即可，减少停顿时间，这样还可以有效的避免内存碎片的问题，因为每次垃圾回收都是清空一整块的region区域，避免的内存碎片。这些小块的region可以高度并行化收集，有效的减少停顿时间。

G1 内存布局

G1的各代存储地址是不连续的，每一代都使用了n个不连续的大小相同的Region，每个Region占有一块连续的虚拟内存地址。如下图所示

在上图中，我们注意到还有一些Region标明了H，它代表Humongous，这表示这些Region存储的是巨大对象（humongous object，H-obj），即大小大于等于region一半的对象。H-obj有如下几个特征： * H-obj直接分配到了old gen，防止了反复拷贝移动。 * H-obj在global concurrent marking阶段的cleanup 和 full GC阶段回收。 * 在分配H-obj之前先检查是否超过 initiating heap occupancy percent和the marking threshold, 如果超过的话，就启动global concurrent marking，为的是提早回收，防止 evacuation failures 和 full GC。

为了减少连续H-objs分配对GC的影响，需要把大对象变为普通的对象，建议增大Region size。

一个Region的大小可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize设定，取值范围从1M到32M，且是2的指数。如果不设定，那么G1会根据Heap大小自动决定

G1可以让用户自己设置应用暂停时间，为什么可以做到这一点？

G1 回收大概有四步（全局并发标记）：

初始标记：找出跟gc root 直接关联的对象，这里会短暂的暂停用户线程，停止应用
并发标记：根据可达性分析，找到其他存活的对象，这一步可以用户线程并发执行。
最终标记：修正在并发标记期间因为用户程序而改变的数据，需要暂停用户线程。
筛选回收：对各个region的回收价值和成本进行排序，根据用户期望的GC 停顿时间制定回收计划。需要暂停用户线程。

因为筛选回收只回收一部分价值高的Region区的垃圾对象，时间是用户可控制的，而且停顿用户线程将大幅提高收集效率。回收时，采用“复制”算法，从一个或多个Region复制存活对象到堆上的另一个空的Region，并且在此过程中压缩和释放内存，避免内存碎片

所以能设置时间的主要原因就是在第四步里面，G1垃圾收集器不会回收整代内存，而是对每一块region进行排序，具体回收多少要看用户设置的停顿时间，优先回收那些垃圾最多的region区域

G1 缺点

对一些内存很小的应用，G1对内存进行部分回收根本不够用，所以始终都要进行整个堆的回收，那么G1反而不适合，因为G1算法更加复杂，可能比其他回收器还要差，因为G1适用于内存稍大一点的应用，一般来说至少4G以上。
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

G1 GC模式

G1 Young GC

所有年轻代里的Region

Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。在这种情况下，Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。

注意全局并发标记（global concurrent marking）的那几个阶段，并不是young GC 里面必须的步骤，只是“全局并发标记”会利用young gc暂停的那个空间，顺便做一下标记。全局并发标记是为mixed gc服务的

global concurrent marking，它的执行过程类似CMS，但是不同的是，在G1 GC中，它主要是为Mixed GC提供标记服务的，并不是一次GC过程的一个必须环节。

Mixed GC

年轻代里的Region + 回收价值高的老年代Region

选定所有年轻代里的Region，外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的若干老年代Region。在用户指定的开销目标范围内尽可能选择收益高的老年代Region。（global concurrent marking即全局并发标记）

Mixed GC时机
Young GC发生的时机大家都知道，那什么时候发生Mixed GC呢？其实是由一些参数控制着的，另外也控制着哪些老年代Region会被选入CSet。 * G1HeapWastePercent：在global concurrent marking结束之后，我们可以知道old gen regions中有多少空间要被回收，在每次YGC之后和再次发生Mixed GC之前，会检查垃圾占比是否达到此参数，只有达到了，下次才会发生Mixed GC。 * G1MixedGCLiveThresholdPercent：old generation region中的存活对象的占比，只有在此参数之下，才会被选入CSet。 * G1MixedGCCountTarget：一次global concurrent marking之后，最多执行Mixed GC的次数。 * G1OldCSetRegionThresholdPercent：一次Mixed GC中能被选入CSet的最多old generation region数量。

除了以上的参数，G1 GC相关的其他主要的参数有：

参数含义
-XX:G1HeapRegionSize=n 设置Region大小，并非最终值
-XX:MaxGCPauseMillis 设置G1收集过程目标时间，默认值200ms，不是硬性条件
-XX:G1NewSizePercent 新生代最小值，默认值5%
-XX:G1MaxNewSizePercent 新生代最大值，默认值60%
-XX:ParallelGCThreads STW期间，并行GC线程数
-XX:ConcGCThreads=n 并发标记阶段，并行执行的线程数
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认值是45%。这里的java堆占比指的是non_young_capacity_bytes，包括old+humongous

避免使用以下参数：
避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其他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，应该让jvm自己去适配大小

学习参考：
https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html （美团资料）
https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8663872.html（阿）
https://zhuanlan.zhihu.com/p/191253113
https://blog.csdn.net/qq_38294614/article/details/107746331

什么时候用G1

官网：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/G1.html#use_cases
（1）50%以上的堆被存活对象占用
（2）对象分配和晋升的速度变化非常大
（3）垃圾回收时间比较长

G1的瓶颈：

在介绍ZGC之前，首先回顾一下CMS和G1的GC过程以及停顿时间的瓶颈。CMS新生代的Young GC、G1和ZGC都基于标记-复制算法，但算法具体实现的不同就导致了巨大的性能差异。

标记-复制算法应用在CMS新生代（ParNew是CMS默认的新生代垃圾回收器）和G1垃圾回收器中。标记-复制算法可以分为三个阶段：

标记阶段，即从GC Roots集合开始，标记活跃对象；
转移阶段，即把活跃对象复制到新的内存地址上；
重定位阶段，因为转移导致对象的地址发生了变化，在重定位阶段，所有指向对象旧地址的指针都要调整到对象新的地址上。
下面以G1为例，通过G1中标记-复制算法过程（G1的Young GC和Mixed GC均采用该算法），分析G1停顿耗时的主要瓶颈。G1垃圾回收周期如下图所示：

学习参考美团博客：https://zhuanlan.zhihu.com/p/170572432

标记阶段停顿分析

初始标记阶段：初始标记阶段是指从GC Roots出发标记全部直接子节点的过程，该阶段是STW的。由于GC Roots数量不多，通常该阶段耗时非常短。
并发标记阶段：并发标记阶段是指从GC Roots开始对堆中对象进行可达性分析，找出存活对象。该阶段是并发的，即应用线程和GC线程可以同时活动。并发标记耗时相对长很多，但因为不是STW，所以我们不太关心该阶段耗时的长短。
再标记阶段：重新标记那些在并发标记阶段发生变化的对象。该阶段是STW的。

清理阶段停顿分析

清理阶段清点出有存活对象的分区和没有存活对象的分区，该阶段不会清理垃圾对象，也不会执行存活对象的复制。该阶段是STW的。

复制阶段停顿分析

复制算法中的转移阶段需要分配新内存和复制对象的成员变量。转移阶段是STW的，其中内存分配通常耗时非常短，但对象成员变量的复制耗时有可能较长，这是因为复制耗时与存活对象数量与对象复杂度成正比。对象越复杂，复制耗时越长。

整体停顿分析

在四个过程中，
初始标记因为值标记GC root对象耗时较短。
并发标记可以不考虑，并发执行。
重新标记阶段，因为对象数少，耗时也短。
清理阶段因为内存分区数量少，耗时也短。（清点出有存活对象的分区和没有存活对象的分区，该阶段不会清理垃圾对象）
转移阶段因为要处理所有存活对象，包含复制对象属性，耗时会较长。因为G1的瓶颈主要是标记-复制中的转移阶段stw.

这时如果需要进一步减少停顿时间，就需要在复制阶段做文章

ZGC 垃圾收集器

JDK11新引入的ZGC收集器，不管是物理上还是逻辑上，ZGC中已经不存在新老年代的概念了，会分为一个个page，当进行GC操作时会对page进行压缩，因此没有碎片问题

ZGC 采用的是标记复制算法，可以低延迟的垃圾回收，停顿时间短。适合应用在更大内存和追求更低延迟场景
停顿时间短的原因主要是因为再对象复制转移阶段，采用的了对象的并发转移技术，对象的转移和应用线程可以同时进行。
对象转移过程中，地址会发生变化，如何保证应用线程访问的对象不会出错。

核心原理

ZGC垃圾回收过程几乎全部是并发，实际STW停顿时间极短，不到10ms。这得益于其采用的着色指针和读屏障技术。
主要采用了着色指针和读屏障技术。
着色指针：使用“空间换时间”思想，去降低GC停顿时间，这个空间是ZGC设置的虚拟空间
读屏障：将读出来的指针更新到对象的新地址上，保证访问的都是对象的新地址

知识点：
写屏障保证了在屏障之前的操作会强制更新到主内存，对其他线程是可见的，这种显示调用防止了指令重排序
读屏障可以让高速缓存中的数据失效，强制从主内存中加载数据，避免缓存不一样

核心收集流程

ZGC在回收周期大概分几步：原理参考链接https://zhuanlan.zhihu.com/p/170572432

初始标记
并发标记
重新标记
并发转移准备
初始转移
并发转移

整个过程中的停顿只发生在初始标记，重新标记，初始转移阶段。
初始标记和初始转移分别都只需要扫描所有GC Roots，其处理时间和GC Roots的数量成正比，一般情况耗时非常短；
再标记阶段STW时间很短，重新标记的对象也不多，最多1ms，超过1ms则再次进入并发标记阶段。
即，ZGC几乎所有暂停都只依赖于GC Roots集合大小，停顿时间不会随着堆的大小或者活跃对象的大小而增加。
与ZGC对比，G1的转移阶段完全STW的，且停顿时间随存活对象的大小增加而增加，因为需要复制对象所有属性等会耗时很长。

ZGC 缺点

对吞吐量优先的场景，ZGC可能并不适合
因为，第一ZGC 是单代垃圾收集器，CMS这种是分代回收，单代回收的话每次处理的对象更多，更消耗cpu资源，垃圾收集时间长。第二，zgc采用的是读屏障技术，需要消耗额外的计算资源

垃圾收集器跟内存大小的大致关系（不精确，需要根据实际环境测试）
Serial：几十兆
PS：上百兆 ~ 4G
CMS：4G ~ 10G
G1：10G~上百G
ZGC： 4T - 16T（JDK13）

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