JVM系列(十五) 垃圾收集器之 G1 MixedGC混合收集及FullGC

贾子杰
1,150 阅读8分钟

1.G1 MixedGC 混合收集

老年代的堆空间使用不停增加，内存占用达到了参数-XX:InitiatingHeapOccupancyPercentt(默认45%)设定的值就会触发Mixed GC，当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阈值时，回收所有的新生代和部分老年代,超过这个值就开始触发全局标记,进而触发MixedGC

  • 根据用户设置的GC停顿时间来确定老年代垃圾收集的先后顺序。
  • G1的垃圾收集 Mixed GC，主要使用复制算法，需要把各个Region中存活的对象复制到另一个空闲的Region
  • 如果在复制过程中发现没有足够的空Region放复制的对象，那么就会触发一次Full GC。

G1 Mixed GC：
Mixed GC步骤主要分为两步：

  1. 全局并发标记(global concurrent marking)
  2. 拷贝存活对象(evacuation)

这里需要特别注意的是 Mixed GC 并不是 Full GC，只有当 Mixed GC 来不及回收old region 老年代的时候，也就说在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

2.G1 MixedGC 全局标记阶段过程

2.1 全局并发标记(global concurrent marking)

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent： 默认值45，意思是老年区已使用空间/整个堆空间的比例, 如果超过阈值, 就会先触发全局标记, 进行 global concurrent marking 标记周期，当达到IHOP阈值时，G1并不会立即发起并发标记周期，而是等待下一次年轻代收集，利用年轻代收集的STW时间段，完成初始标记，这种方式称为借道(Piggybacking)。 在 G1 GC 中，它并不是一次GC过程的必须环节，通常是多次执行了YoungGC之后才会进行一次GlobalConcurrentMarking, 它主要是为 Mixed GC 提供标记服务的。 global concurrent marking的执行大致上可以划分为五个步骤：

  • 初始标记(initial mark，STW)

整个过程STW，标记了从GC Root可达的对象，这些对象全都是 GC Roots 节点以及直接可达的对象，虽然会发生stop the world，但是该阶段耗时很短，很快就会结束, 不会占用太多的停顿时间

  • 根区域扫描(root region scan)

初始标记暂停结束后，年轻代收集也完成的对象复制到Survivor存活区的工作，应用线程开始活跃起来,所有被就复制到survivor去与的对象,都需要被扫描标记为根对象,这个过程被称为根区域扫描

根区域扫描,就是标记存活区中（即 survivor 区）中指向老年代的被初始标记标记的引用的对象。它会标记所有的从所谓的根区可以到达的对象, 这个阶段与应用程序并发运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次 STW 的 young GC。

  • 并发标记(Concurrent Marking)

从名字上来看, 该过程就是和应用程序并发执行,线程数量由参数 -XX:ConcGCThreads (默认GC线程数的1/4，即-XX:ParallelGCThreads/4)控制, 从 GC Roots 对堆中的对象进行可达性分析，标记整个堆Heap的存活对象，每个线程只扫描一个分区,收集每个Region的存活对象信息,标记出来存活的对象图,同时并发标记线程还会定期检查并且同时处理STAB全局缓冲区列表的记录，更新对象引用信息

并发标记的过程可能被 young GC 中断，并发标记阶段产生的新的引用（或引用的更新）会被 SATB 记录下来, 所有的标记任务必须在堆满前就完成扫描，如果并发标记耗时很长，那么有可能在并发标记过程中，又会经历多次年轻代收集。如果堆满前没有完成标记任务，则会触发担保机制，经历一次长时间的串行Full GC

在并发标记过程中，会计算每个区域中对象的存活比例。如果在此阶段中，如果发现区域中的所有对象都是垃圾，那这个区域会立即被回收。

  • 重新标记(Remark，STW)

重新标记也叫最终标记 final marking 阶段，为了修正在并发标记期间，因应用程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录，G1需要一个暂停的时间，去处理剩下的SATB日志缓冲区和所有更新

G1 使用的是比 CMS 更快的初始快照算法 SATB 算法：snapshot-at-the-beginning。它只需要扫描SATB(Snapshot At The Beginning)的buffer，处理在并发阶段产生的新的存活对象，去处理剩下的 SATB日志缓冲区和所有更新，找出所有未被访问的存活对象

对比CMS 垃圾收集器，CMS的 remark重新标记阶段需要扫描整个mod union table的标记为dirty的entry以及全部根

  • 清除(Cleanup, STW)

该阶段STW, 该阶段会计算每一个Region里面存活的对象，并把完全没有存活对象的Region直接放到空闲列表中。在该阶段还会重置Remember Set, 并且对每个Region进行排序

排序是为了找出各个 Region 的回收价值和成本，并根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划。（这个阶段并不会实际去做垃圾的回收，也不会执行存活对象的拷贝）

清除阶段执行的详细操作如下：

  1. RSet梳理：启发式算法会根据活跃度和RSet尺寸对每一个Region分区定义不同等级，同时RSet梳理也有助于发现无用的引用。
  2. 整理堆分区：目的是区分混合收集识别回收收益高（基于释放空间和暂停目标）的老年代分区集合；
  3. 识别所有空闲分区：即发现没有任何对象存活对象的分区，该分区可在清除阶段直接回收，无需等待下次收集周期。
2.2 并发标记后
  • 并发标记结束以后，老年代中100%为垃圾的 region 就直接被回收了，仅部分为垃圾的region会进行混合回收
  • 根据停顿目标，G1 可能没法一次性回收掉所有的old region 候选分区，只能选择优先级高的若干个 region 进行回收
  • 对优先级高的,回收垃圾性价比高的Region 被分成8次回收（可以通过 -XX:G1MixedGCCountTarget 设置，默认阈值8）
  • 垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收。由参数-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默认65%)阈值决定内存分段是否被回收
  • 如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会花费更多的时间，计算出来回收性价比不高
  • 混合回收并不一定要进行8次，由参数-XX:G1HeapWastePercent(默认值 10%)控制
  • -XX:G1HeapWastePercent允许整个堆内存有 10% 的空间浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%，则不再进行混合回收,这样利用率比较高
  • 否则 GC计算完，回收该区域会花费很多的时间，但是回收到的内存却很少，回收性价比不高
2.3 拷贝存活对象(evacuation)

对象复制过程又叫作Evacuation，是一个STW过程。

  • 这一步会复用YongGC的逻辑，只是正常YGC的Choose Set只选择Young Region分区
  • Mixed GC复用YongGC代码,在创建Choose Set时会选择所有Young Region和部分收益较高的Old Region
  • 将CSet中的存活对象复制到Survivor Region存活区，然后回收原来的Region空间
  • 如果发现没有足够的Region能够存放这部分拷贝的对象，就会触发FullGC

3. Full GC

FullGC采用的是 Serial Old GC， 单线程收集老年代对象

  • 停止系统程序，单线程进行标记、清理和压缩整理
  • Full GC 会对整堆做标记清除和压缩, 默认参数 XX:G1ReservePercent(默认10%)可以保留空间 用于垃圾回收
  • 清理空间，腾出空闲的一批Region来供下一次Mixed GC使用
  • 该过程是非常耗时的，而且Full GC的收集代价非常高, 能够明显感觉到应用程序的停顿
  • 应该尽量避免Full GC的发生。

G1在以下场景中会触发 Full GC，同时会在日志中记录to-space-exhausted以及Evacuation Failure：

  1. 从年轻代分区拷贝存活对象时，无法找到可用的空闲分区
  2. 从老年代分区转移存活对象时，无法找到可用的空闲分区
  3. 分配巨型对象时在老年代无法找到足够的连续分区,也会提前触发FullGC

至此, 我们讲解了G1 垃圾收集器的Mixed GC的 垃圾回收过程, 明天我们分析 下G1的 垃圾回收日志

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