深入理解JVM原理-G1收集器

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分类专栏： JVM 文章标签： JVM JVM原理堆栈

于 2019-04-04 18:03:31 首次发布

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本文详细介绍了G1垃圾收集器的设计理念、内存模型、垃圾收集流程及算法，并探讨了其优缺点。G1旨在替代CMS收集器，通过并行与并发的方式减少停顿时间，适用于大内存应用。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

2.2、分区Region的Collect Set（CSet）

1、G1背景

为了取代 CMS 收集器，CMS有以下缺点：

CMS收集器对CPU资源非常敏感，会占用CPU资源而导致引用程序变慢；
CMS收集器无法处理浮动碎片垃圾，不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集；

G1优点：

基于标记-整理算法，不产生碎片化问题；
可以控制停顿时间，提升吞吐量，JDK1.8开始默认G1

G1是标记-清除还是标记-整理算法：

G1采用了标记-整理和标记-清除两种方式的结合；
标记-清除发生在并发标记阶段，而标记-整理主要发生在混合收集阶段

2、G1内存模型

2.1、分区Region

G1 收集器不采用传统的新生代和老年代物理隔离方式收集，采用的是逻辑上划分新生代和老年代。将整个堆内存划分为2048个大小相等的独立内存块Region，大小是2的N次方大概每一块在 1M - 32M 之间，使用不同的Region来表示新生代和老年代，再要求相同类型的 Region 在物理内存上相邻所以是逻辑上划分。每个 Region 分区只能是一种角色，Eden区、S区、老年代O区、H巨型对象区。

什么是H巨型对象区：大小超过一个Region容量的50%以上的对象存放的区域，为了解决如果它是一个短期存活的巨型对象，放入老年代就会对垃圾收集器造成负面影响，触发老年代频繁GC，所以引入H区概念。如果一个H区装不下巨型对象，G1会寻找连续的H分区来存储，如果寻找不到连续的H区，就启动 Full GC 全局回收。

2.2、分区Region的RSet

RSet是一个反向指针（ HashTable 的集合），记录了其它 Region 对当前 Region 的引用情况。回收某个Region时，不需要执行全堆扫描（串行和并行收集器就需要），只需扫描它的 RSet 就可以找到外部引用，来确定引用本Region分区内的对象是否存活。本Region的引用不用记录、新生代的引用也不用记录（因为GC会全部扫描新生代），所以只需要记录新生代和老年代之间的引用。

哈希表（HashTable ）是实现 RSet 的一种常见方式。一个Region可能有多个线程在并发修改，因此也可能会并发修改 RSet。为避免冲突，G1垃圾回收器进一步把 RSet 划分成了多个 HashTable，每个线程都在各自的 HashTable 里修改，从逻辑上来说，RSet 就是这些 HashTable 的集合。

RSet 的写屏障：每次将一个老年代对象的引用修改为指向年轻代对象，都会被写屏障捕获并记录下来，因此在年轻代回收的时候，就可以避免扫描整个老年代来查找根

2.3、分区Region的Card卡片

一个 Card Table 将一个 Region 在逻辑上划分为若干个固定大小（介于128到512字节之间）的连续区域，每个区域称之为卡片 Card，因此 Card 是堆内存中的最小可用粒度，分配的对象会占用物理上连续的若干个卡片。

作用：如果一个线程修改了Region内部的引用，就必须要去通知RSet，更改其中的记录，引用的对象很多，赋值器需要对每个引用做处理，开销很大，引入卡片可解决。查找引用是可以通过卡片查找，G1对内存的使用以分区(Region)为单位，而对对象的分配则以卡片(Card)为单位。

2.2、分区Region的Collect Set（CSet）

CSet是G1垃待回收的Region集合，用于追踪存活对象，找到所有存活对象并将他们复制到空闲区域中。CSet 所有分区都会被释放，内部存活的对象都会被转移到分配的空闲分区中。

3、G1垃圾收集流程

G1提供2种GC模式，分别是Young GC和Mixed GC，Full GC是大家都有的

3.1、对象分配策略

一个Region 分为2个部分，已分配和未分配，界限叫做top,所以分配对象就是增加top的值的过程

（1）TLab中分配（线程本地分配缓冲区，ThreadLocal+CAS实现）

如果对象在共享空间中分配就要用ThreadLocal同步机制解决并发冲突问题，对象分配时在这个buff分配线程之间不用进行同步。但是线程消耗完自己buff后依然要申请新的buff也会带来并发问题，这里用CAS解决。对象过大会申请新的buff原来的有空余会浪费掉，带来碎片化问题。

（2）Eden区分配

TLab无法分配的对象才在Eden区分配，如果Eden也无法分配只能在老年代分配了

（3）H区分配

巨型对象在这里分配，无法享受Tlab带来的优化，要避免生成巨型对象。

3.2、Young GC

（1）标记阶段：根扫描

根是只statis指向的对象、变量等，根引用+RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。

（2）清理阶段：对Eden区和S区垃圾回收，年轻代中没有RSet（记录了老年代到年轻代的引用）引用的会被回收

（3）对象（内存）拷贝

清理阶段完成后，GC将存活对象从Eden区和From S区拷贝到To S区，并清空Eden区和From S区，同时采用复制算法，GC将To S区和From S区角色互换。

3.3、Mixed GC

年轻代不断进行垃圾回收活动后，为了避免老年代的空间被耗尽（会往老年代送），老年代占用空间达到默认45%时会触发一次混合垃圾回收Mixed GC，对新生代和老年代一起回收。

（需要分配老年代的对象时，但发现没有足够的空间，这个时候就会触发一次 Full GC）

Mixed GC分2步骤：并发标记、拷贝存活对象。

（1）全局并发标记

初始标记：标记根节点以及直接可达的对象；
根区域扫描：描初始标记的存活区中（ s区）可直达的老年代区域的对象，（因为RSet只记录只被年轻代引用的老年代，在一次Young GC中这些年轻代会被复制到S区）；
并发标记：采用三色标记算法， GC Roots 对堆中的对象进行可达性分析，找出存活的对象标记。
重新标记：标记并发标记遗留的对象

（2）拷贝存活对象