G1收集器

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在JDK9之后JVM默认使用G1(Garbage-First, 垃圾优先)收集器进行垃圾回收。G1是一款分代的 (generational)，增量的 (incremental)，并行的 (parallel)，移动式（evacuating）的，软实时的垃圾回收器。其最大特点是用Region代替传统分代模型，分代成为逻辑上的概念；建立了可预测的停顿时间模型，让暂停时间可配置。从实践结果来看，它能及时有效的回收大对象，增加吞吐量，避免内存碎片，保障程序的长久运行。

一、内存模型对比

传统的垃圾收集器（串行、并行、CMS）都将堆结构分为三个部分：年轻代、老年代和固定内存大小的永久代

  • 传统收集器内存结构

G1中的堆被划分为N个Region，每个region内内存连续，其中一部分被分配为传统的角色(eden、survivor、old)，但它们不是固定的位置和大小，这给内存分配提供了极大的灵活性。

  • G1内存结构

二、GC步骤

G1中有两种回收模式：

  • 年轻代垃圾回收（Young GC）
  • 混合垃圾回收（Mixed GC）

2.1 年轻代GC

年轻代GC是只选择年轻代区域（Eden/Survivor）进入回收集合（Collection Set，简称CSet）进行回收的模式。年轻代GC的过程和其他的分代回收器差不多，新创建的对象分配至Eden区域，然后将标记存活的对象移动至Survivor区，达到晋升年龄的就晋升到老年代区域，然后清空原区域（不过这里可没有年轻代复制算法中两个Survivor的交换过程）。

  1. G1在遵循GC暂停时间的基础上，选择最大年轻代Region数(CSSet)
  2. 根扫描(Root Scanning)
  3. RememberedSet扫描(RememberedSet简称RSet,会记录跨代引用的关系)
  4. 移动，遍历上面的标记栈，将栈内的所有所有的对象移动(复制)至Survivor区域

年轻代GC图示：

2.2 混合GC

混合GC会选择所有年轻代区域(Eden/Survivor,最大年轻代分区数)和部分老年代区域进去回收集合进行回收的模式。年轻代区域对象移动到Survivor区，老年代区域移动到老年代区域。

  1. 初始标记

    这个是捎带在年轻代GC完成的

  2. 并发标记

    并发标记的目的是标记存活对象，为移动过程做准备。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。

  3. 再次标记

    由于应用程序持续进行,需要修正上一次的标记结果。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot一at一the一beginning (SATB)。此时，所有区域的活性都被计算出来了。

  4. 复制清理阶段

    G1 选择“活跃度”最低的区域，即可以收集最快的区域。然后与年轻的GC同时收集这些区域

  5. 最终清理阶段

    所选择的区域都被复制，然后压缩

混合GC总结

阶段 是否STW 描述
初始标记 是 捎带在年轻代GC完成
根区域扫描 否 扫描幸存者区域以查找对老年代的引用
并行标记 否 查找整个堆上的活动对象
再次标记 是 遗漏的再标记一次
清理 是 对活动对象和完全自由区域执行记帐;擦洗RSet;重置空区域并将其返回到可用列表
复制 是 疏散或复制活动对象到未使用区域

三、GC日志

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)。并发标记是全局的，和回收过程是两个阶段。

年轻代GC日志

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//[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young) 代表完全年轻代回收
// 0.0182341 secs 是本次GC的暂停时间
0.184: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0182341 secs 是本次GC的暂停时间]
// 并行GC线程，一共有8个
   [Parallel Time: 16.7 ms, GC Workers: 8]
      /*这一行信息说明的是这8个线程开始的时间，Min表示最早开始的线程时间，Avg表示平均开始时间，Max表示的是最晚开始时间，Diff为最早和最晚的时间差。这个值越大说明线程启动时间越不均衡。线程启动的时间依赖于GC进入安全点的情况。关于安全点可以参考后文的介绍。*/
      [GC Worker Start (ms):  184.2  184.2  184.2  184.3  184.3  184.4  186.1  186.1
       Min: 184.2, Avg: 184.7, Max: 186.1, Diff: 1.9]
      /*根处理的时间，这个时间包含了所有强根的时间，分为Java根，分别为Thread、JNI、CLDG；和JVM根下面的StringTable、Universe、JNI Handles、ObjectSynchronizer、FlatProfiler、Management、SystemDictionary、JVMTI */
      [Ext Root Scanning (ms):  0.3  0.2  0.2  0.1  0.1  0.0  0.0  0.0
       Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.3, Diff: 0.3, Sum: 0.8]
         /*Java线程处理时间，主要是线程栈。这个时间包含了根直接引用对象的复制时间，如果根超级大，这个时间可能会增加 */
         [Thread Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
         [StringTable Roots (ms):  0.0  0.1  0.1  0.1  0.1  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.1, Diff: 0.1, Sum: 0.4]
         [Universe Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [JNI Handles Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [ObjectSynchronizer Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [FlatProfiler Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Management Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [SystemDictionary Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [CLDG Roots (ms):  0.3  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.3, Diff: 0.3, Sum: 0.3]
         [JVMTI Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
       // CodeCache Roots实际上是在处理Rset的时候的统计值，它包含下面的
       // UpdateRS，ScanRS和Code Root Scanning
         [CodeCache Roots (ms):  5.0  3.9  2.2  3.3  2.1  2.2  0.6  2.2
          Min: 0.6, Avg: 2.7, Max: 5.0, Diff: 4.4, Sum: 21.6]
         [CM RefProcessor Roots (ms):  0.0
         0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Wait For Strong CLD (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Weak CLD Roots (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [SATB Filtering (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
       // 这个就是GC线程更新RSet的时间花费，注意这里的时间和我们在Refine里面处理RSet
       // 的时间没有关系，因为它们是不同的线程处理
       [Update RS (ms):  5.0  3.9  2.2  3.3  2.1  2.2  0.6  2.2
        Min: 0.6, Avg: 2.7, Max: 5.0, Diff: 4.4, Sum: 21.5]
          // 这里就是GC线程处理的白区中的dcq个数
         [Processed Buffers:  8  8  7  8  8  7  2  4
          Min: 2, Avg: 6.5, Max: 8, Diff: 6, Sum: 52]
      // 扫描RSet找到被引用的对象
      [Scan RS (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
       Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
      [Code Root Scanning (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.1  0.0  0.0
       Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.1, Diff: 0.1, Sum: 0.1]
      // 这个就是所有活着的对象（除了强根直接引用的对象，在Java根处理时会直接复制）复制
      // 到新的分区花费的时间。从这里也可以看出复制基本上是最花费时间的操作。        
      [Object Copy (ms):  11.3  12.5  14.2  13.1  14.3  14.2  14.2  12.5
       Min: 11.3, Avg: 13.3, Max: 14.3, Diff: 3.0, Sum: 106.3]
      // GC线程结束的时间信息。
      [Termination (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
       Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Termination Attempts:  1  1  1  1  1  1  1  1
          Min: 1, Avg: 1.0, Max: 1, Diff: 0, Sum: 8]
      // 这个是并行处理时其他处理所花费的时间，通常是由于JVM析构释放资源等
      [GC Worker Other (ms):  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
       Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
      // 并行GC花费的总体时间
      [GC Worker Total (ms):  16.6  16.6  16.6  16.5  16.5  16.4  14.7  14.7
       Min: 14.7, Avg: 16.1, Max: 16.6, Diff: 1.9, Sum: 128.7]
      // GC线程结束的时间信息
      [GC Worker End (ms):  200.8  200.8  200.8  200.8  200.8  200.8  200.8  200.8
       Min: 200.8, Avg: 200.8, Max: 200.8, Diff: 0.0]
    // 下面是其他任务部分。
    // 代码扫描属于并行执行部分，包含了代码的调整和回收时间
    [Code Root Fixup: 0.0 ms]   
    [Code Root Purge: 0.0 ms]
    // 清除卡表的时间
    [Clear CT: 0.1 ms]
    [Other: 1.5 ms]
      // 选择CSet的时间，YGC通常是0
      [Choose CSet: 0.0 ms]
      // 引用处理的时间，这个时间是发现哪些引用对象可以清除，这个是可以并行处理的
      [Ref Proc: 1.1 ms]
      // 引用重新激活
      [Ref Enq: 0.2 ms]
      // 重构RSet花费的时间
      [Redirty Cards: 0.1 ms]
         [Parallel Redirty:  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0
          Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
         [Redirtied Cards:  8118  7583  6892  4496  0  0  0  0
          Min: 0, Avg: 3386.1, Max: 8118, Diff: 8118, Sum: 27089]
          // 这个信息是是可以并行处理的，这里是线程重构RSet的数目
       // 大对象处理时间
      [Humongous Register: 0.0 ms]
         [Humongous Total: 2]
          // 这里说明有2个大对象
         [Humongous Candidate: 0]
          // 可回收的大对象0个
      // 如果有大对象要回收，回收花费的时间，回收的个数
      [Humongous Reclaim: 0.0 ms]
         [Humongous Reclaimed: 0]
      // 释放CSet中的分区花费的时间，有新生代的信息和老生代的信息。
      [Free CSet: 0.0 ms]
         [Young Free CSet: 0.0 ms]
         [Non-Young Free CSet: 0.0 ms]
    // GC结束后Eden从15M变成0，下一次使用的空间为21M，S从2M变成3M，整个堆从
    // 23.7M变成20M
    [Eden: 15.0M(15.0M)->0.0B(21.0M) Survivors: 2048.0K->3072.0K 
     Heap: 23.7M(256.0M)->20.0M(256.0M)]

并发标记日志

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//并发标记 - 初始标记阶段，在年轻代GC中完成
100.070: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young) (initial-mark), 0.0751469 secs]
  [Parallel Time: 74.7 ms, GC Workers: 8]
    [GC Worker Start (ms): Min: 100070.4, Avg: 100070.5, Max: 100070.6, Diff: 
      0.1]
    [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.1, Avg: 0.2, Max: 0.3, Diff: 0.2, Sum: 
      1.6]
    [Update RS (ms): Min: 0.6, Avg: 1.1, Max: 1.5, Diff: 0.9, Sum: 8.9]
       [Processed Buffers: Min: 1, Avg: 1.6, Max: 4, Diff: 3, Sum: 13]
    [Scan RS (ms): Min: 1.0, Avg: 1.4, Max: 1.9, Diff: 0.9, Sum: 10.8]
    [Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 
      0.0]
    [Object Copy (ms): Min: 71.5, Avg: 71.5, Max: 71.6, Diff: 0.1, Sum: 572.1]
    [Termination (ms): Min: 0.3, Avg: 0.3, Max: 0.4, Diff: 0.1, Sum: 2.6]
       [Termination Attempts: Min: 1382, Avg: 1515.5, Max: 1609, Diff: 227, 
         Sum: 12124]
    [GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.2]
    [GC Worker Total (ms): Min: 74.5, Avg: 74.5, Max: 74.6, Diff: 0.1, Sum: 
      596.3]
    [GC Worker End (ms): Min: 100145.1, Avg: 100145.1, Max: 100145.1, Diff: 
      0.0]
  [Code Root Fixup: 0.0 ms]
  [Code Root Purge: 0.0 ms]
  [Clear CT: 0.1 ms]
  [Other: 0.4 ms]
    [Choose CSet: 0.0 ms]
    [Ref Proc: 0.1 ms]
    [Ref Enq: 0.0 ms]
    [Redirty Cards: 0.1 ms]
    [Humongous Register: 0.0 ms]
    [Humongous Reclaim: 0.0 ms]
    [Free CSet: 0.0 ms]
  [Eden: 23.0M(23.0M)->0.0B(14.0M) Survivors: 4096.0K->4096.0K Heap: 84.5M
    (128.0M)->86.5M(128.0M)]
[Times: user=0.63 sys=0.00, real=0.08 secs]

// 把YHR中Survivor分区作为根，开始并发标记根扫描
100.146: [GC concurrent-root-region-scan-start]
// 并发标记根扫描结束，花费了0.0196297，注意扫描和Mutator是并发进行，同时有多个线程并行
100.165: [GC concurrent-root-region-scan-end, 0.0196297 secs]
// 开始并发标记子阶段，这里从所有的根引用：包括Survivor和强根如栈等出发，对整个堆进行标记
100.165: [GC concurrent-mark-start]
// 标记结束，花费0.08848s
100.254: [GC concurrent-mark-end, 0.0884800 secs]
// 这里是再标记子阶段，包括再标记、引用处理、类卸载处理信息
100.254: [GC remark 100.254: [Finalize Marking, 0.0002228 secs] 100.254: 
  [GC ref-proc, 0.0001515 secs] 100.254: [Unloading, 0.0004694 secs], 
  0.0011610 secs]
  [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
// 清除处理，这里的清除仅仅回收整个分区中的垃圾
// 这里还会调整RSet，以减轻后续GC中RSet根的处理时间
100.255: [GC cleanup 86M->86M(128M), 0.0005376 secs]
  [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

混合GC日志

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// 混合回收Mixed GC其实和YGC的日志类似，能看到GC pause(G1EvacuationPause)(mixed)这样的信息
// 日志分析参考Y年轻代GC。
  122.132: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (mixed), 0.0106092 secs]
  [Parallel Time: 9.8 ms, GC Workers: 8]
    [GC Worker Start (ms): Min: 122131.9, Avg: 122132.0, Max: 122132.0, 
      Diff: 0.1]
    [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.1, Avg: 0.1, Max: 0.1, Diff: 0.1, Sum: 0.7]
    [Update RS (ms): Min: 0.5, Avg: 0.7, Max: 0.9, Diff: 0.4, Sum: 5.4]
      [Processed Buffers: Min: 1, Avg: 1.8, Max: 3, Diff: 2, Sum: 14]
    [Scan RS (ms): Min: 1.0, Avg: 1.3, Max: 1.5, Diff: 0.5, Sum: 10.4]
    [Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 
      0.0]
    [Object Copy (ms): Min: 7.5, Avg: 7.6, Max: 7.7, Diff: 0.2, Sum: 60.9]
    [Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
      [Termination Attempts: Min: 92, Avg: 105.1, Max: 121, Diff: 29, Sum: 841]
    [GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
    [GC Worker Total (ms): Min: 9.7, Avg: 9.7, Max: 9.8, Diff: 0.1, Sum: 77.6]
    [GC Worker End (ms): Min: 122141.7, Avg: 122141.7, Max: 122141.7, Diff: 0.0]
  [Code Root Fixup: 0.0 ms]
  [Code Root Purge: 0.0 ms]
  [Clear CT: 0.2 ms]
  [Other: 0.7 ms]
    [Choose CSet: 0.0 ms]
    [Ref Proc: 0.1 ms]
    [Ref Enq: 0.0 ms]
    [Redirty Cards: 0.5 ms]
    [Humongous Register: 0.0 ms]
    [Humongous Reclaim: 0.0 ms]
    [Free CSet: 0.0 ms]
  [Eden: 3072.0K(3072.0K)->0.0B(5120.0K) Survivors: 3072.0K->1024.0K 
    Heap: 105.5M(128.0M)->104.0M(128.0M)]
[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]

四、GC算法

算法 分代 优缺点
标记清除(Mark-Sweep) 年轻代 效率低，产生内存碎片
复制(Copying) 老年代 效率高，空间利用率低
标记压缩(Mark-Compact) 老年代 针对老年代对象特征优化
分代收集 年轻代使用复制，老年代使用标记压缩

4.1 标记清除

4.2 复制算法

4.3 标记压缩

五、参数设置

参数 含义
-XX:+UseG1GC JDK8需要设置
-XX:G1HeapRegionSize 设置每个Region的大小。值是2的幂,范围是1MB到32MB之间
-XX:MaxGCPauseMillis 期望达到的最大GC停顿时间指标,默认200ms
-XX:ParallelGCThread: 垃圾回收线程,最多为8,STW时
-XX:ConcGCThreads 并发标记线程数,一般=ParallelGCThreads/4

参数设置参考

由于是传统ERP项目，存量业务和大对象很多，所以Xmx设置的也比较大： 

1
-Xms6g -Xmx12g -XX:+UseG1GC -XX:ParallelGCThreads=8 -XX:ConcGCThreads=8 -Xss512k -XX:MetaspaceSize=768m -XX:MaxMetaspaceSize=2g -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/data/log/erp-%t.hprof -XX:MaxDirectMemorySize=256m -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCDetails -Xloggc:/data/log/erp-gc-%t.log

参考

G1垃圾回收期入门
https://www.oracle.com/technetwork/tutorials/tutorials-1876574.html
G1详解
https://juejin.cn/post/7010034105165299725
最清晰易懂的G1
https://segmentfault.com/a/1190000039411521