JVM-G1 GC

G1回收器

• G1 是 Garbage First 的简称，可以翻译成“垃圾优先”，它是一款面向服务器的垃圾收集器，采用标记整理算法，用于大内存的多处理器计算机，目标是实现低延时垃圾回收，从 2017年9月发布的 JDK9 开始，G1 就已经成为了默认的垃圾收集器。

回收方式

• 年轻代回收

• 混合回收

G1下的JVM堆内存结构

和以往的垃圾收集器不一样，G1尽管依然保留了年轻代（young generation）和老年代（old generation）的概念， 但是它们已经变成了一个逻辑上的概念，G1的堆内存被切分成若干个大小（1M ～ 32M）相同且不连续的 Region，包括 Eden，Survivor，Old Generation， Humongous。堆结构如下图

跨代引用

• 问题：老年代对象引用了年轻代的对象，如果年轻代被引用对象被回收，则老年代使用的年轻代对象会出现问题。年轻代引用老年代的问题很容易解决。

• 解决方式：

方式1：从GC root出发，扫面引用链，年轻代被扫描到标记为存活，性能太低。

方式2：维护一张老年代引用年轻代的记录，如果在表中被记录则不被回收。

方式3：记录记忆集（一种非回收区域对象指向回收区域的对象的数据结构）：Region被哪些对象引用了，回收的时候，同样把记忆集中的对象加入GC root中。如果对象很多，记忆集空间太大。

方式三进行优化，将所有区域中的内存按一定大小划分成很多个块，每个块进行编号。记忆集中只记录对块的引用关系。如果一个块中有多个对象，只需要引用一次，减少了内存开销。

• 卡表

每一个Region都拥有一个自己的卡表，如果产生了跨代引用(老年代引用年轻代)，此时这个Region对应的卡表上就会将字节内容进行修改,JDK8源码中o代表被引用了称为脏卡。这样就可以标记出当前Region被老年代中的哪些部分引用了。那么要生成记忆集就比较简单了，只需要遍历整个卡表，找到所有脏卡。

• 使用写屏障维护卡表

JVM使用写屏障(write Barrier)技术，在执行引用关系建立的代码时，可以在代码前和代码后插入一段指令 从而维护卡表。 记忆集中不会记录新生代到新生代的引用，同一个Region中的引用也不会记录。G1使用写屏障技术，在执行引用关系建立的代码执行后插入一段指令，完成卡表的维护工作。

记忆集的生成流程分为以下几个步骤:

1、通过写屏障获得引用变更的信息。

2、将引用关系记录到卡表中，并记录到一个脏卡队列中。

3、JVM中会由Refinement 线程定期从脏卡队列中获取数据，生成记忆集。不直接写入记忆集的原因是避免过多线程并发访问记忆集

年轻代回收

该阶段为STW

1.Root扫描寻找GC root，将所有的静态变量、局部变量扫描出来。

2. 处理脏卡队列中的没有处理完的信息，更新记忆集的数据，此阶段完成后，记忆集中包含了所有老年代对当前Region的引用关系。

3、标记存活对象。 记忆集中的对象会加入到GC Root对象集合中， 在GC Root引用链上的对象也会被标记为存活对象。

4、根据设定的最大停顿时间， 选择本次收集的区域，称之为回收集合Collection Set。

5、复制对象： 将标记出来的对象复制到新的区中，将年龄加1，如果年龄到达15则晋升到老年代。老的区域内存直接清空。

6、 处理软、弱、虚、终结器引用，以及JNI中的弱引用。

从GC root和记忆集中的对象出发扫描引用链的对象。

混合回收

多次回收之后，会出现很多old老年代区，此时总堆占有率达到阈值(默认45%)时会触发混合回收MixedGc 混合回收会由年轻代回收之后或者大对象分配之后触发，混合回收会回收 整个年轻代 +部分老年代。 老年代很多时候会有大量对象，要标记出所有存活对象耗时较长，所以整个标记过程要尽量能做到和用户线程并行执行。

• 步骤

1、初始标记，STW，采用三色标记法标记从GC Root可直达的对象。

2、并发标记，并发执行，对存活对象进行标记。

3、最终标记，STW，处理SATB相关的对象标记。

4、清理，STW，如果区域中没有任何存活对象就直接清理。

5、转移，将存活对象复制到别的区域。

• 初始标记

1.初始标记会暂停所有用户线程，只标记从GCRoot可直达的对象，所以停顿时间不会太长。采用三色标记法进行标记三色标记法在原有双色标记(黑也就是1代表存活，白代表可回收)增加了一种灰色，采用队列的方式保存标记为灰色的对象。

• 并发标记

1.接下来进入并发标记阶段，继续进行未完成的标记任务。此阶段和用户线程并发执行。从灰色队列中获取尚未完成标记的对象B。标记B关联的A和C对象，由于A和C对象并未引用其他对象，可以直接标记成黑色，而B也完成了所有引用对象的标记，也标记为黑色。最后从队列获取C对象，标记为黑色，也标记为黑色。所以剩余对象F就是白色，可回收。

2.三色标记存在一个比较严重的问题，由于用户线程可能同时在修改对象的引用关系，就会出现错标的情况，比如: 这个案例中正常情况下，B和C都会被标记成黑色。但是在BC标记前，用户线程执行了 B.c= null;将B到c的引用 去除了。同时执行了A.c=c;添加了A到c的引用。此时会出现错标的情况，c是白色可回收。

3.G1为了解决这个问题，使用了SATB技术(Snapshot At The Beginning， 初始快照)。SATB技术是这样处理的:

1、标记开始时创建一个快照，记录当前所有对象，标记过程中新生成的对象直接标记为黑色。

2、采用前置写屏障技术，在引用赋值前比如B.c= null之前，将之前引用的对象c放入SATB待处理队列中。SATB队 列每个线程都有一个，最终会汇总到一个大的SATB队列中

• 最终标记

最终标记会暂停所有用户线程，主要是为了处理SATB相关的对象标记。这一步中，将所有线程的SATB队列中剩余的数据合并到总的SATB队列中，然后逐一处理。SATB队列中的对象，默认按照存活处理，同时要处理他们引用的对象。SATB的缺点是在本轮清理时可能会将不存活的对象标记成存活对象，产生了一些所谓的浮动垃圾，等到下一轮清理时才能回收。

• 转移

转移的步骤如下:

1、根据最终标记的结果，可以计算出每一个区域的垃圾对象占用内存大小，根据停顿时间，选择转移效率最高(垃圾

对象最多)的几个区域。

2、转移时先转移GC Root直接引用的对象，然后再转移其他对象。

为什么G1能代替CMS

思想决定高度，对于垃圾回收器也一样，G1 的三个优秀的设计思想，为后面的垃圾收集器（ZGC）奠定了坚实的基础：

1.基于 Region 的内存布局

2.面向局部收集的设计思想

3.GC停顿时间和吞吐量的平衡

Region化整为零，面向局部收集的思想完全碾压了 CMS这种需要收集整个老年代的设计。基于 Region可以同时兼顾年轻代和老年代的回收，而 CMS只能回收老年代。基于 Region，因为回收的粒度更细，范围更小，使得 G1的停顿时间更加可预测。