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垃圾收集器G1&ZGC详解

2023-07-03 12:03:09   7  举报

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垃圾收集器G1&ZGC详解

java

后端开发

作者其他创作

大纲/内容

G1收集器(-XX:+UseG1GC)

面向服务器的垃圾收集器，主要针对配备大容量内存的机器，满足GC停顿时间要求，还需要具备高吞吐量性能特征

G1将Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），JVM最多可以有2048个Region

一般Region大小等于堆大小除以2048，当然也可以用参数"-XX:G1HeapRegionSize"手动指定Region大小，推荐默认

G1保留了年轻代和老年代的概念，但不再是物理隔阂了，它们都是（可以不连续）Region的集合。

默认年轻代对堆内存的占比是5%，可以通过“-XX:G1NewSizePercent”设置新生代初始占比

JVM会不停的给年轻代增加更多的Region，但是新生代的占比不会超过60%，可以通过“-XX:G1MaxNewSizePercent”调整

Survivor对应的region也跟之前一样，默认8:1:1

一个Region可能之前是年轻代，如果Region进行了垃圾回收，之后可能又会变成老年代，也就是说Region的区域功能
可能会动态变化。

G1垃圾收集器对于对象什么时候会转移到老年代跟之前讲过的原则一样，唯一不同的是对大对象的处理，G1有专门分配
大对象的Region叫Humongous区，在G1中，大对象的判定规则就是一个大对象超过了一个Region大小的50%

Full GC的时候除了收集年轻代和老年代之外，也会将Humongous区一并回收。

G1收集器一次GC的几个步骤：

初始标记（initial mark，STW）：暂停所有的其他线程，并记录下gc roots直接能引用的对象，速度很快；

并发标记（Concurrent Marking）：同CMS的并发标记

最终标记（Remark，STW）：同CMS的重新标记

筛选回收（Cleanup，STW）：筛选回收阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期
望的GC停顿时间(可以用JVM参数 -XX:MaxGCPauseMillis指定)来制定回收计划

回收算法主要用的是复制算法，将一个region中的存活对象复制到另一个region中，这种不会像CMS那样
回收完因为有很多内存碎片还需要整理一次，G1采用复制算法回收几乎不会有太多内存碎片

G1收集器在后台维护了一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的Region(这也就是它的名字Garbage-First的由来)，比如一个Region花200ms能回收10M垃圾，另外一个Region花50ms能回收20M垃圾，在回收时间有限情况下，G1当然会优先选择后面这个Region回收。

优点：

并行与并发：G1能充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者CPU核心）来缩短StopThe-World停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿Java线程来执行GC动作，

分代收集：虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但是还是保留了分代的概念。

空间整合：G1从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器；从局部上来看是基于“复制”算法实现的

可预测的停顿：G1 除了求低停顿外，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(通过参数"-XX:MaxGCPauseMillis"指定)内完成垃圾收集。

G1垃圾收集分类

YoungGC：回收时间远远小于参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么增加年轻代的region，继续给新对象存放，不会马上做YoungGC，直到下一次Eden区放满，G1计算回收时间接近参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么就会触发Young GC

MixedGC：不是FullGC，老年代的堆占有率达到参数(-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)设定的值则触发，回收所有的Young和部分Old(根据期望的GC停顿时间确定old区垃圾收集的优先顺序)以及大对象区，主要使用复制算法，需要把各个region中存活的对象拷贝到别的region里去，拷贝过程中如果发现没有足够的空region能够承载拷贝对象就会触发一次Full GC

Full GC：停止系统程序，采用单线程进行标记、清理和压缩整理，好空出来一批Region来供下一次MixedGC使用

G1收集器参数设置

-XX:+UseG1GC:使用G1收集器

-XX:ParallelGCThreads:指定GC工作的线程数量

-XX:G1HeapRegionSize:指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的N次幂)，默认将整堆划分为2048个分区

-XX:MaxGCPauseMillis:目标暂停时间(默认200ms)

-XX:G1NewSizePercent:新生代内存初始空间(默认整堆5%)

-XX:G1MaxNewSizePercent:新生代内存最大空间

-XX:TargetSurvivorRatio:Survivor区的填充容量(默认50%)，Survivor区域里的一批对象(年龄1+年龄2+年龄n的多个
年龄对象)总和超过了Survivor区域的50%，此时就会把年龄n(含)以上的对象都放入老年代

-XX:MaxTenuringThreshold:最大年龄阈值(默认15)

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent:老年代占用空间达到整堆内存阈值(默认45%)，则执行新生代和老年代的混合
收集(MixedGC)，比如我们之前说的堆默认有2048个region，如果有接近1000个region都是老年代的region，

-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默认85%) region中的存活对象低于这个值时才会回收该region，如果超过这
个值，存活对象过多，回收的的意义不大。

-XX:G1MixedGCCountTarget:在一次回收过程中指定做几次筛选回收(默认8次)，在最后一个筛选回收阶段可以回收一会，然后暂停回收，恢复系统运行，一会再开始回收，这样可以让系统不至于单次停顿时间过长。

-XX:G1HeapWastePercent(默认5%): gc过程中空出来的region是否充足阈值，在混合回收的时候，对Region回收都
是基于复制算法进行的，都是把要回收的Region里的存活对象放入其他Region，然后这个Region中的垃圾对象全部清
理掉，这样的话在回收过程就会不断空出来新的Region，一旦空闲出来的Region数量达到了堆内存的5%，此时就会立
即停止混合回收，意味着本次混合回收就结束了。

G1垃圾收集器优化建议

核心在于调节 -XX:MaxGCPauseMills 这个参数的值，在保证他的年轻代gc别太频繁的同时，还得考虑
每次gc过后的存活对象有多少,避免存活对象太多快速进入老年代，频繁触发mixed gc

什么场景适合使用G1

50%以上的堆被存活对象占用

对象分配和晋升的速度变化非常大

垃圾回收时间特别长，超过1秒

8GB以上的堆内存(建议值)

停顿时间是500ms以内

ZGC收集器(-XX:+UseZGC)

ZGC是一款JDK 11中新加入的具有实验性质的低延迟垃圾收集器

ZGC的四个目标

支持TB量级的堆

最大GC停顿时间不超10ms。

奠定未来GC特性的基础

最糟糕的情况下吞吐量会降低15%

不分代

ZGC内存布局

小型Region（Small Region）：容量固定为2MB，用于放置小于256KB的小对象。

中型Region（Medium Region） ：容量固定为32MB，用于放置大于等于256KB但小于4MB的对象。

大型Region（Large Region）：容量不固定，可以动态变化，但必须为2MB的整数倍，用于放置4MB或
以上的大对象。每个大型Region中只会存放一个大对象，这也预示着虽然名字叫作“大型Region”，但它的实际容量完全有可能小于中型Region，最小容量可低至4MB。大型Region在ZGC的实现中是不会被重分配（重分配是ZGC的一种处理动作，用于复制对象的收集器阶段，稍后会介绍到）的，因为复制一个大对象的代价非常高昂。

颜色指针

ZGC的GC信息保存在指针中，每个对象有一个64位指针，这64位被分为：

18位：预留给以后使用；

1位：Finalizable标识，此位与并发引用处理有关，它表示这个对象只能通过finalizer才能访问；

1位：Remapped标识，设置此位的值后，对象未指向relocation set中（relocation set表示需要GC的
Region集合）；

1位：Marked1标识；

1位：Marked0标识，和上面的Marked1都是标记对象用于辅助GC；

42位：对象的地址（所以它可以支持2^42=4T内存）

为什么有2个mark标记？

每一个GC周期开始时，会交换使用的标记位，使上次GC周期中修正的已标记状态失效，所有引用都变成未标记。

GC周期1：使用mark0, 则周期结束所有引用mark标记都会成为01。

GC周期2：使用mark1, 则期待的mark标记10，所有引用都能被重新标记。

颜色指针的三大优势：

1. 一旦某个Region的存活对象被移走之后，这个Region立即就能够被释放和重用掉，而不必等待整个堆中所有指
向该Region的引用都被修正后才能清理，这使得理论上只要还有一个空闲Region，ZGC就能完成收集。

2. 颜色指针可以大幅减少在垃圾收集过程中内存屏障的使用数量，ZGC只使用了读屏障。

3. 颜色指针具备强大的扩展性，它可以作为一种可扩展的存储结构用来记录更多与对象标记、重定位过程相关的数
据，以便日后进一步提高性能。

读屏障

在标记和移动对象的阶段，每次「从堆里对象的引用类型中读取一个指针」的时候，都需要加上一个Load Barriers。
那么我们该如何理解它呢？看下面的代码，第一行代码我们尝试读取堆中的一个对象引用obj.fieldA并赋给引用o（fieldA也是一个对象时才会加上读屏障）。如果这时候对象在GC时被移动了，接下来JVM就会加上一个读屏障，这个屏障会把读出的指针更新到对象的新地址上，并且把堆里的这个指针“修正”到原本的字段里。这样就算GC把对象移动了，读屏障也会发现并修正指针，于是应用代码就永远都会持有更新后的有效指针，而且不需要STW。那么，JVM是如何判断对象被移动过呢？就是利用上面提到的颜色指针，如果指针是Bad Color，那么程序还不能往下执行，需要「slow path」，修正指针；如果指针是Good Color，那么正常往下执行即可：

ZGC运作过程

并发标记（Concurrent Mark）ZGC的标记是在指针上而不是在对象上进行的，标记阶段会更新染色指针中的Marked 0、 Marked 1标志位。

并发预备重分配（Concurrent Prepare for Relocate）ZGC每次回收都会扫描所有的Region，用范围更大的扫描成本换取省去G1中记忆集的维护成本

并发重分配（Concurrent Relocate）重分配是ZGC执行过程中的核心阶段，这个过程要把重分配集中的存
活对象复制到新的Region上，并为重分配集中的每个Region维护一个转发表（Forward Table），记录从旧对象
到新对象的转向关系。ZGC收集器能仅从引用上就明确得知一个对象是否处于重分配集之中，如果用户线程此时并
发访问了位于重分配集中的对象，这次访问将会被预置的内存屏障(读屏障)所截获，然后立即根据Region上的转发
表记录将访问转发到新复制的对象上，并同时修正更新该引用的值，使其直接指向新对象，ZGC将这种行为称为指
针的“自愈”（Self-Healing）能力。

并发重映射（Concurrent Remap）重映射所做的就是修正整个堆中指向重分配集中旧对象的所有引用，但
是ZGC中对象引用存在“自愈”功能，所以这个重映射操作并不是很迫切。ZGC很巧妙地把并发重映射阶段要做的
工作，合并到了下一次垃圾收集循环中的并发标记阶段里去完成，反正它们都是要遍历所有对象的，这样合并就节
省了一次遍历对象图的开销。一旦所有指针都被修正之后，原来记录新旧对象关系的转发表就可以释放掉了。

ZGC存在的问题

ZGC最大的问题是浮动垃圾。ZGC的停顿时间是在10ms以下，但是ZGC的执行时间还是远远大于这个时间的。假如ZGC全过程需要执行10分钟，在这个期间由于对象分配速率很高，将创建大量的新对象，这些对象很难进入当次GC所以只能在下次GC的时候进行回收，这些只能等到下次GC才能回收的对象就是浮动垃圾。

解决方案：

目前唯一的办法是增大堆的容量，使得程序得到更多的喘息时间，但是这个也是一个治标不治本的方案。如果需要从根本上解决这个问题，还是需要引入分代收集，让新生对象都在一个专门的区域中创建，然后专门针对这个区域进更频繁、更快的收集。

ZGC参数设置

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions 「-XX:+UseZGC」。

ZGC触发时机

定时触发，默认为不使用，可通过ZCollectionInterval参数配置

预热触发，最多三次，在堆内存达到10%、20%、30%时触发，主要时统计GC时间，为其他GC机制使用。

分配速率，基于正态分布统计，计算内存99.9%可能的最大分配速率，以及此速率下内存将要耗尽的时间点，
在耗尽之前触发GC（耗尽时间 - 一次GC最大持续时间 - 一次GC检测周期时间）。

主动触发，（默认开启，可通过ZProactive参数配置）距上次GC堆内存增长10%，或超过5分钟时，对比距上
次GC的间隔时间跟（49 * 一次GC的最大持续时间），超过则触发

如何选择垃圾收集器