Java11 的 G1 垃圾收集器

D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

大家好，我是【运维开发故事公众号】的 Java 程序员老郑。JVM 是我们从事 Java 项目和开发都需要具备的非常底层的基础知识。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

首先我先抛出以下几个问题：D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• 很多服务需要过一段时间重启一次，如果不重启系统就会越来越慢？
• 突然一个中间件挂了一段时间过后，但是一些不相关的服务越来越卡，后面 OOM？
• 上线一个功能过后，CPU 就飙升到 100%，但是服务还是正常运行？
• 服务的某一个 CPU 出现有规律的，周期性的尖刺该如何解决？

作为 5 年以上工作经验的技术人员，或多或少在系统维护，系统保障，系统调优遇到过上面的这几个场景，你可能是通过重启，调整一些 jvm 参数解决，如果大家需要深入的探究找到问题的原因，可以耐心看看下文我对 G1 的一些总结。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

本文讲哪些东西？

• 堆布局（以 Region 为基础划分：新生代（Eden 区、Survivor 区）、年老代、Humongous 区域）
• 垃圾收集周期
• GC 运作过程：初始标记、并发标记、最终标记、筛选回收
• GC 类型：Minor GC、Full GC 、Mixed GC
• CSet (年轻代需要收集的 Region 集合就是 CSet)
• 跨代引用
• 停顿预测模型
• GC 日志分析

G1 内存堆布局

G1 的英文全称是 Garbagge First，是一个有分代，按照 Region 的方式进行内存布局的垃圾收集器。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

上图，我将一些 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：D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• 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。

GC 类型

1. Young GC，垃圾收集范围：年轻代区域 + 大对象区。
2. Mixed GC，垃圾收集范围：年轻代区域 + 老年区 + 大对象区。
3. Full GC，垃圾收集范围：年轻代区域 + 老年区 + 大对象区 + 元空间。

Collection Set (收集区域)

Collection Set 就是我们垃圾收集器的一个区域，在不同的垃圾回收阶段，会有不同的区域。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• Young GC, 垃圾收集区域包括：年轻代区域 + 大对象区。
• Mixed GC, 垃圾收集区域包括：年轻代区域 + 老年区 + 大对象区。

跨代引用

Young GC 主要是清理，新生代中的对象，我们知道整个堆空间包括老年代，新生代，我们在 Young GC 过程中会去找 GCRoots 然后判断对象是是否可达， 如果不可达，如果可达就标记。如果对于老年代中引用新生代的对象，我们如果要找出来就就需要对老年代进行全扫描，这样是不太现实的。所以 G1 通过记忆集的形式记录了老年代对新生代的引用。具体在 G1 中通过 CarTable 来实现记忆集。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

RSet（记忆集）

记录了其它 Region 中的对象到 Region 的引用。RSet 的价值在于使得垃圾回收不需要扫描整个堆，能够快速定位到真正引用它的堆对象地址。ReSet 本身就是一个 Hash 表，存储在新生代的每个 Region 中。但是存储需要消耗空间，多的能达到百分之 20。因此G1对内存的空间要求较高(小空间没资本玩)，空间越大性能越彪悍。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

CardTable (卡表)

由于新生代GC时，需要扫描整个old区，效率非常低。所以old区就是用卡表的方式进行一次逻辑分区。一般一页卡表的大小是2的n次幂。每一个区域也是用Key，Value结构进行记录。每一区域记录为Key不重复，Value则记录这片区域的老年代对象与新生代对象是否存在引用关系，存在则标记为1，否则为0。记录完毕后把value为1的key作为ReSet的key进行记录，并且ReSet的value存储引用，从而提高跨代引用的查询效率。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

停顿预测模型

所有的预测都是基于历史的拟合，HotSpot使用了基于方差与标准差的技术。参考：https://sdww2348115.github.io/jvm/g1/PausePredictionModel。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

G1 垃圾收集周期

D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

图片来源 Oracle 官网D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

G1 有两个阶段，它会在这两个阶段往返，分别是 Young-only，Space Reclamation.D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• Young-only 包含一系列的操作，如果长期存活的对象会逐渐转移到 Old gen。
• Space Reclamation G1 会递进地回收 Old gen 的空间，同时也处理 Young region。

图是来自 Oracle 上对 GC 周期的描述，实心圆都表示一次 GC 停顿D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• 蓝色 Young-only。
• 黄色 标记过程的停顿。
• 红色 Mixed GC 停顿。

在几次 GC 后，Old gen 的对象占有比超过了 InitiatingHeapOccupancyPercent （简称为IHOP，默认值为45，这个值是启动并发标记的阈值，当老年代使用内存占用堆内存的45%启动并发标记。如果该区域过大，可能会导致mixed gc跟不上内存分配的速度从而导致full gc ），gc 就会进入并发标记准备 (Concurrent Mark)。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• G1 在每一次 Young 回收中都会查找活对象 (有引用的对象)。
• G1 在 old region 并发查找存活对象。

• 是 Concurrent Marking。
• 可能花费很长时间。
• 不会停止 Java 应用。

• G1 没有活对象的引用信息是不能进行垃圾回收的。

• Mixed GC 依赖 Concurrent Mark。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

回到 Full GC，从上面简单分析得出，Full GC 发生是没有足够的 free region，如果堆是足够大的，Mixed gc 没有回收足够的 old region，或者 concurrent mark 没法及时完成，都可能会导致 full gc。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

GC 日志分析

下面是网上找的一个 GC 日志案例，解析如下（配合 G1 垃圾收集周期结合来看）：D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

[gc,start      ] GC(44265) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)[gc,task       ] GC(44265) Using 13 workers of 13 for evacuation[gc,phases     ] GC(44265)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms[gc,phases     ] GC(44265)   Evacuate Collection Set: 101.8ms[gc,phases     ] GC(44265)   Post Evacuate Collection Set: 3.2ms[gc,phases     ] GC(44265)   Other: 2.7ms[gc,heap       ] GC(44265) Eden regions: 1850->0(1851)[gc,heap       ] GC(44265) Survivor regions: 70->69(240)[gc,heap       ] GC(44265) Old regions: 766->768[gc,heap       ] GC(44265) Humongous regions: 20->19[gc,metaspace  ] GC(44265) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)[gc            ] GC(44265) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 21642M->6843M(25600M) 107.561ms[gc,cpu        ] GC(44265) User=1.31s Sys=0.00s Real=0.11s[gc,start      ] GC(44266) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)[gc,task       ] GC(44266) Using 13 workers of 13 for evacuation[gc,phases     ] GC(44266)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms[gc,phases     ] GC(44266)   Evacuate Collection Set: 99.8ms[gc,phases     ] GC(44266)   Post Evacuate Collection Set: 3.3ms[gc,phases     ] GC(44266)   Other: 2.7ms[gc,heap       ] GC(44266) Eden regions: 1851->0(1854)[gc,heap       ] GC(44266) Survivor regions: 69->66(240)[gc,heap       ] GC(44266) Old regions: 768->772[gc,heap       ] GC(44266) Humongous regions: 20->19[gc,metaspace  ] GC(44266) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)[gc            ] GC(44266) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 21659M->6848M(25600M) 105.713ms[gc,cpu        ] GC(44266) User=1.29s Sys=0.01s Real=0.10s[gc,start      ] GC(44267) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)[gc,task       ] GC(44267) Using 13 workers of 13 for evacuation[gc,phases     ] GC(44267)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms  //初始标记，查找 gc root [gc,phases     ] GC(44267)   Evacuate Collection Set: 89.8ms     //并发标记[gc,phases     ] GC(44267)   Post Evacuate Collection Set: 3.5ms //清理工作[gc,phases     ] GC(44267)   Other: 2.7ms[gc,heap       ] GC(44267) Eden regions: 1854->0(1856)[gc,heap       ] GC(44267) Survivor regions: 66->64(240)[gc,heap       ] GC(44267) Old regions: 772->775[gc,heap       ] GC(44267) Humongous regions: 20->19[gc,metaspace  ] GC(44267) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)[gc            ] GC(44267) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 21688M->6859M(25600M) 95.891ms[gc,cpu        ] GC(44267) User=1.16s Sys=0.00s Real=0.10s[gc,start      ] GC(44268) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)                 // Young GC[gc,task       ] GC(44268) Using 13 workers of 13 for evacuation[gc,phases     ] GC(44268)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms[gc,phases     ] GC(44268)   Evacuate Collection Set: 100.5ms[gc,phases     ] GC(44268)   Post Evacuate Collection Set: 3.8ms[gc,phases     ] GC(44268)   Other: 2.8ms[gc,heap       ] GC(44268) Eden regions: 1856->0(1855)[gc,heap       ] GC(44268) Survivor regions: 64->65(240)[gc,heap       ] GC(44268) Old regions: 775->777[gc,heap       ] GC(44268) Humongous regions: 20->19[gc,metaspace  ] GC(44268) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)[gc            ] GC(44268) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 21715M->6876M(25600M) 107.037ms[gc,cpu        ] GC(44268) User=1.30s Sys=0.00s Real=0.11s[gc,start      ] GC(44269) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation)  // 并发阶段[gc,task       ] GC(44269) Using 13 workers of 13 for evacuation[gc,phases     ] GC(44269)   Pre Evacuate Collection Set: 0.6ms[gc,phases     ] GC(44269)   Evacuate Collection Set: 90.9ms[gc,phases     ] GC(44269)   Post Evacuate Collection Set: 3.2ms[gc,phases     ] GC(44269)   Other: 2.9ms[gc,heap       ] GC(44269) Eden regions: 1519->0(1855)[gc,heap       ] GC(44269) Survivor regions: 65->65(240)[gc,heap       ] GC(44269) Old regions: 777->777[gc,heap       ] GC(44269) Humongous regions: 19->19[gc,metaspace  ] GC(44269) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)[gc            ] GC(44269) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation) 19024M->6883M(25600M) 97.391ms[gc,cpu        ] GC(44269) User=1.16s Sys=0.01s Real=0.10s[gc            ] GC(44270) Concurrent Cycle                                          // 完成 clearup[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Clear Claimed Marks[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Clear Claimed Marks 0.562ms[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Scan Root Regions[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Scan Root Regions 719.931ms[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Mark (280799.914s)[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Mark From Roots[gc,task       ] GC(44270) Using 3 workers of 3 for marking[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Mark From Roots 2268.905ms[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Preclean[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Preclean 3.078ms[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Mark (280799.914s, 280802.186s) 2272.068ms[gc,start      ] GC(44270) Pause Remark[gc,stringtable] GC(44270) Cleaned string and symbol table, strings: 87967 processed, 92 removed, symbols: 442773 processed, 13 removed[gc            ] GC(44270) Pause Remark 13740M->13740M(25600M) 32.599ms[gc,cpu        ] GC(44270) User=0.29s Sys=0.00s Real=0.04s[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Rebuild Remembered Sets            //重构记忆集[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Rebuild Remembered Sets 1906.792ms[gc,start      ] GC(44270) Pause Cleanup[gc            ] GC(44270) Pause Cleanup 18019M->18019M(25600M) 0.782ms[gc,cpu        ] GC(44270) User=0.00s Sys=0.01s Real=0.00s[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Cleanup for Next Mark[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Cleanup for Next Mark 25.530ms[gc            ] GC(44270) Concurrent Cycle 4963.833ms[gc,start      ] GC(44271) Pause Young (Prepare Mixed) (G1 Evacuation Pause)  // Space Reclamation 阶段了，多个 Mixed GC 会进行[gc,task       ] GC(44271) Using 13 workers of 13 for evacuation[gc,phases     ] GC(44271)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms[gc,phases     ] GC(44271)   Evacuate Collection Set: 102.6ms[gc,phases     ] GC(44271)   Post Evacuate Collection Set: 3.7ms[gc,phases     ] GC(44271)   Other: 3.9ms[gc,heap       ] GC(44271) Eden regions: 1855->0(98)[gc,heap       ] GC(44271) Survivor regions: 65->62(240)[gc,heap       ] GC(44271) Old regions: 777->778[gc,heap       ] GC(44271) Humongous regions: 21->19[gc,metaspace  ] GC(44271) Metaspace: 193271K->193271K(1230848K)[gc            ] GC(44271) Pause Young (Prepare Mixed) (G1 Evacuation Pause) 21739M->6869M(25600M) 110.034ms[gc,cpu        ] GC(44271) User=1.32s Sys=0.01s Real=0.10s[gc,start      ] GC(44272) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause)[gc,task       ] GC(44272) Using 13 workers of 13 for evacuation[gc,phases     ] GC(44272)   Pre Evacuate Collection Set: 0.4ms[gc,phases     ] GC(44272)   Evacuate Collection Set: 150.8ms[gc,phases     ] GC(44272)   Post Evacuate Collection Set: 3.2ms[gc,phases     ] GC(44272)   Other: 2.3ms[gc,heap       ] GC(44272) Eden regions: 98->0(149)[gc,heap       ] GC(44272) Survivor regions: 62->11(20)[gc,heap       ] GC(44272) Old regions: 778->547[gc,heap       ] GC(44272) Humongous regions: 19->19[gc,metaspace  ] GC(44272) Metaspace: 193271K->193271K(1230848K)[gc            ] GC(44272) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause) 7653M->4605M(25600M) 156.486ms[gc,cpu        ] GC(44272) User=1.95s Sys=0.01s Real=0.15s[gc,start      ] GC(44273) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause)[gc,task       ] GC(44273) Using 13 workers of 13 for evacuation[gc,phases     ] GC(44273)   Pre Evacuate Collection Set: 0.2ms[gc,phases     ] GC(44273)   Evacuate Collection Set: 122.9ms[gc,phases     ] GC(44273)   Post Evacuate Collection Set: 2.0ms[gc,phases     ] GC(44273)   Other: 3.1ms[gc,heap       ] GC(44273) Eden regions: 149->0(1900)[gc,heap       ] GC(44273) Survivor regions: 11->20(20)[gc,heap       ] GC(44273) Old regions: 547->520[gc,heap       ] GC(44273) Humongous regions: 19->19[gc,metaspace  ] GC(44273) Metaspace: 193271K->193271K(1230848K)[gc            ] GC(44273) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause) 5797M->4468M(25600M) 128.036ms[gc,cpu        ] GC(44273) User=1.57s Sys=0.01s Real=0.12s

上面是连续几次 GC 的日志，可以对照着 GC 周期来看。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• GC (44265) 是一次普通的 Young GC里面信息有各种 Region 的变化。

这里简单说一下 humongous 对象的处理，humongous 对象在 G1 中是被特殊对待的，G1 只决定它们是否生存，回收他们占用的空间，从不会移动它们。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• Young-Only 阶段，humongous regions 可能会被回收。
• Space-Reclamation，humongous regions 可能会被回收。

• GC (44269) 开始进入并发阶段。
• GC (44270) 完成了 Cleanup，紧接着一个 Prepare Mixed GC (44271) 的垃圾收集，对应周期虚线右边的蓝实心圆。
• GC (44272) 之后就是 Space Reclamation 阶段了，多个 Mixed GC 会进行。

JVM 性能监控工具

我们可以通过以下几种工具辅助分析 JVM 性能瓶颈：D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

综合组件：D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• VisualVM
• Glowroot
• https://arthas.aliyun.com/。

thread dump 分析：D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• https://fastthread.io/。

gc 日志分析：D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• https://gceasy.io/gc-index.jsp。

heap dump 分析：D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• https://www.ibm.com/support/pages/ibm-heapanalyzer。
• https://projects.eclipse.org/projects/tools.mat。

参考资料

【GC 停顿预测模型】D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• http://www.narihiro.info/g1gc-impl-book/scheduling.html。
• https://sdww2348115.github.io/jvm/g1/PausePredictionModel。

【垃圾收集器执行过程】D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• https://bugs.openjdk.org/browse/JDK-8295118。
• https://my.oschina/u/4273516/blog/4550072。

【跨代引用】D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• https://blog.csdn/weixin_47184173/article/details/113627337。

【空闲时自动将Java堆内存返回给操作系统】。D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• https://openjdk.org/jeps/346

【其他】D9628资讯网——每日最新资讯28at.com

• https://docs.oracle.com/javacomponents/jmc-5-4/jfr-runtime-guide/comline.htm#JFRUH197。
• https://www.redhat.com/en/blog/part-1-introduction-g1-garbage-collector。
• https://blog.csdn/qq_16500963/article/details/132133125。
• http://cs.williams.edu/~dbarowy/cs334s18/assets/p37-detlefs.pdf。
• https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html。
• https://hllvm-group.iteye.com/group/topic/44381。

本文链接：http://www.28at.com/showinfo-26-26558-0.htmlJava11 的 G1 垃圾收集器

声明：本网页内容旨在传播知识，若有侵权等问题请及时与本网联系，我们将在第一时间删除处理。邮件：2376512515@qq.com

上一篇： 高效设计企业营销系统的三种方案复盘

下一篇： 怎么理解 React Server Component 和 Next.js 的关系