G1 收集器
引言
- YoungGC和MixedGC会STW吗
- 全局并发标记和YoungGC、MixedGC有什么关系吗
- YoungGC会整堆扫描吗？如果不会，G1是如何做到的
带着这些疑问，我们就正式开始说G1了。
如果有不懂的名词或关系，可以参考：GC方法论：关于JVM垃圾回收机制必须掌握的基础知识。
G1的特点
G1： Garbage-First
最大的特点就是：停顿时间可控，这也是G1名字的由来
G1一共有两个过程是并发的。逻辑上分代，物理上分区。
G1在正常工作时，只有Young GC和Mixed GC交替，一般不会出现Full GC的，设计理念就是尽量避免Full GC。
G1采取的垃圾收集算法
不管是新生代还是年老代，回收算法都是采用复制算法。
但实际上，因为物理分区，所以区内是标记复制算法，整体上来看整个堆，是一种标记整理
G1的逻辑分代
新生代，老年代
Eden，Survivor，Old的代的概念都被保留
默认新生代对堆内存的初始占比是5%，最多60%，且比例仍然是8:1:1
Humongous：存储大对象
除了Eden，Survivor，Old区域，G1还额外多了一个Humongous区域，专门用于存放巨型对象。
如果一个对象的大小超过Region容量的50%以上，就认为是大对象。
如果一个H区装不下巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储，如果寻找不到连续的H区的话，就不得不启动 Full GC 了。
G1提出Humongous区域的意义：
CMS的做法是直接将大对象放入老年代 ，然而大对象未必就一定存活很久，直接放入老年代是不妥的。
G1的物理分区：Region
G1将Java堆划分为多个大小相等的独立的Region区域，默认2048个Region。每个Region都可以属于某个代。
card：堆内存的最小粒度
每个Region内部，又会被分割为若干个卡片，一个卡片的大小为512B。
Region内部结构
一个Region内部有如下五个指针：
三个好理解的：
- bottom：Region块的起始位置
- end：Region块的结束位置，end - top就是一个Region块的大小
- top：
bottom ~ top属于Region已经被使用的空间；top ~ end属于空闲空间 top是空闲内存与已使用内存的分界线
TAMS：top-at-mark-start
又分为previous和next，就是前一次和后一次嘛，就是前后两次发生并发标记时的位置。
那这俩指针有什么用呢？考虑这样一个问题：并发标记是不是可打断的？
BitMap：维护对象的标记
三色标记法，会将对象标记成三种颜色，如何维护这个颜色呢？
一种做法是，借用对象的mark word的mark bit。
但G1的选择是在外部为每个Region维护两个BitMap：
一个是prevBitmap [bottom, prevTAMS)，而另一个是 nextBitmap [bottom, nextTAMS)。这两个bitmap维护了内部两个指针之间对象的存活状况。
为什么需要prev？
因为并发标记是可以被YoungGC打断的，所以还需要个prev区域维护旧的BitMap。
TAMS指针与BitMap如何配合工作
并发标记开始时，next TAMS = top，在并发标记的过程中，所有新对象分配在next TAMS之后，这些对象不会被GC。
对于第n轮并发标记而言：
- [bottom, prevTAMS): 这部分里的对象存活信息可以通过prevBitmap来得知
- [prevTAMS, nextTAMS): 这部分里的对象在第n-1轮concurrent marking是隐式存活的
- [nextTAMS, top): 这部分里的对象在第n轮concurrent marking是隐式存活的
并发标记期间新的对象根本不会被GC，全部认为存活
写前屏障：实现SATB🚩
SATB是必须理解的一个非常重要的概念，并发标记解决漏标问题的核心
不懂SATB，就不懂为什么全局并发标记的step2、3在干嘛，为什么这样实现
G1收集器会通过写前屏障，在引用被更改前先记录一下原本的引用信息。这样G1始终持有并发标记开始之前的对象图。这不就是快照snapshot at the beginning吗。这样就解决了漏标问题。
写前屏障具体行为
许多论文提到的mutator，可以简单理解为用户线程。
mutator的写前栅栏会在引用变更前，将值记录在SATB日缓冲区中。每个线程都会独占一个SATB缓冲区（SATBMarkQueue）。当SATBMarkQueue放满了，会放到全局的SATBMarkQueueSet。
在并发标记阶段，还会定期检查和处理SATBMarkQueueSet的记录，重新标记为灰色压入扫描栈。
并发标记阶段结束剩余的未处理的SATBMarkQueue，SATBMarkQueueSet，在最终标记处理
RSet：G1对记忆集的实现
Remembered Set是记忆集，是个抽象的概念。RSet是G1对Remembered Set的实现，不是一个东西。
G1与HotSpot VM的其它GC一样有一个覆盖整个heap的card table。
而G1在points-out的card table之上再加了一层结构来构成points-into RSet。
每个region（分区）都有一个Rset，记录其它属于老年代的 Region 的card对当前Region 的card 的引用情况。也就是记录谁的指针指向我，或者谁引用了我的对象。这和Card Table是刚好相反的。而这些新生代的card可以作为Young GC的GC roots。
即便当前Region属于老年代，也会维护RSet，减压MixedGC
RSet的内部结构
RSet本质上就是一个哈希表结构（HashTable），Key为其他引用当前区内对象的Region起始地址，Value则是一个集合，里面的元素为其他Region中每个引用当前区内对象的地址。
实际上G1中的
RSet对内存的开销也并不小，当JVM中分区较多且运行时间较长的情况下，这块的内存开销可能会占用到20%以上。
写后屏障：维护Rset
在对引用做修改的时候，去修改对应的RSet。这个过程与SATB十分相似。另外，G1还有card table需要维护。
mutator把引用记录到dirty card queue，DirtyCardQueueSet，通过ConcurrentG1RefineThread并发维护RSet
比如：
1 listnode l = null;
2 listnode p = new listnode();
3 l = p;
每个线程有自己的log buffer，写屏障的记录先放进去自己的log buffer中，装满了之后，就会把log buffer放到全局long buffer global set of filled buffer中，而后再申请一个log buffer。
G1只有两件事情是并发的，一是屏障缓存区的并发处理，二是并发标记
CSet：GC区域
CSet虽然是个很简单易懂的概念，但却是很重要的概念
Collect Set用于描述：一次GC的区域，是一个由若干region构成的集合
一次GC后，CSet的所有region资源会被释放，成为闲置的Region，所有存活的对象会被放到别的Region
扫描任何region的时候如果碰到指向不在CSet里的region的引用都可以忽略，即我们只关注从非CSet到Cset的引用，而忽略所有Cset到非CSet的引用。
GC工作线程数量
由-XX:ParallelGCThreads参数指定
默认值为：
- 当CPU核数小于等于8，则默认与CPU核数相等
- 当CPU核数大于8，经过计算得到，一般小于CPU核数
整体看G1的GC行为
从最高层看，G1的collector一侧其实就是两个大部分：
- 全局并发标记（global concurrent marking）
- 拷贝存活对象（evacuation）
全局并发标记和拷贝存活对象可以彼此独立运行
全局并发标记：global concurrent marking
全局并发标记：global concurrent marking，是基于SATB形式的并发标记。
全局并发标记整个过程只有并发标记可能被Young GC打断。
在JDK12前，MixedGC也是不允许被打断的。后来MixedGC能被打断。
1、初始标记：initial marking
STW。
找到GC Roots，把roots引用的对象压入扫描栈（灰色）。
这个过程是等Young GC触发时借道的。
根分区扫描 Root Region Scanning
根分区：Young GC期间，没有死亡的年轻代，晋升到的所有Survivor区域
由于初始标记是借道的，也就是此时Eden为空，年轻代存活的对象全部为存活对象，因此需要将这块区域的所有对象标记为GC Roots。
2、并发标记：concurrent marking
并发标记算法的实现就是三色标记法，所以就是递归扫描直至扫描栈为空
过程中还会扫描SATB write barrier所记录的引用，就是将黑色变成灰色的对象重新压入扫描栈
并发标记的线程数
-XX:ConcGCThreads：默认为GC线程数的1/4，即-XX:ParallelGCThreads/4，一次只扫描一个分区
-XX:ParallelGCThreads：见「GC工作线程数量」
3、最终/重新标记：remark/final mark
STW。
处理剩下的SATB write barrier记录的引用（详见『SATB的实现：写前屏障』）。也进行弱引用处理
CMS 的remark非常慢。CMS的remark需要重新扫描mod-union table里的dirty card外加整个根集合，而此时整个young gen（不管对象死活）都会被当作根集合的一部分
4、清理：clean
STW。
清点和重置标记状态。这个阶段不拷贝任何对象
拷贝存活对象：Evacuation
Evacuation阶段是全暂停的。
1、确定CSet
Evacuation阶段可以「自由选择任意多个region」来独立收集构成收集集合，而这依赖「RSet」实现
被选择的这些Region就叫做CSet
RSet还记得么，是实现Partial GC的核心机制
2、可能的标记行为
前文说过evacuation与global concurrent marking是可以彼此独立工作的。
因此：Evacuation也需要能够扫描标记存活对象
实际上，标记过程不一定会有。
- 如果有global concurrent marking的结果，那就直接拿来用
- 如果没有，也无所谓，Evacuation自己也能扫描出来
3、拷贝存活对象
evacuation把一部分region里的活对象拷贝到空region里去，然后回收原本的region的空间。
具体的拷贝行为：
跟ParallelScavenge的young GC的算法类似，采用并行copying（或者叫scavenging）算法把CSet里每个region里的活对象拷贝到新的region里，整个过程完全暂停。是多线程并行拷贝。
能不能并发拷贝（concurrent compaction拷贝行为与用户线程同时进行）
不能，已知的实现concurrent compaction的GC算法都需要read barrier，而G1则坚持只用write barrier不用read barrie。
xxxGC与Evacuation和marking的关系
这里指Young GC和Mixed GC。
R大原话是：
分代式G1模式下有两种选定CSet的子模式，分别对应young GC与mixed GC
更确切的说，Young GC和Mixed GC都是Evacuation的一种，它们的区别仅仅是选定的CSet不同。
它们的具体选定CSet的规则是：
- Young GC：选定所有young gen里的region。通过控制young gen的region个数来控制young GC的开销。
- Mixed GC：选定所有young gen里的region，外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的若干old gen region。在用户指定的开销目标范围内尽可能选择收益高的old gen region。
你想想，选定CSet属于哪个部分？属于Evacuation行为的第一步。这也就是为什么很多讲G1的作者常说：
G1的Mixed GC与Young GC的行为几乎完全一样
看到这里，你应该知道为什么这么说了吧。还不知道就再看一遍。
Young GC和Mixed GC 都是STW的，对吗
对的。它们是Evacuation的一种，而Evacuation是STW的。
global concurrent marking对mixed gc中的old gen gc有帮助，与young gc没多大关系
全局并发标记与Mixed GC是互斥的（不会同时进行）
Initial marking默认搭在young GC上执行；当全局并发标记正在工作时，G1不会选择做mixed GC，反之如果有mixed GC正在进行中G1也不会启动initial marking。
JDK12推出了可中断的Mixed GC
G1工作周期
这应该能帮助你更好的理解G1的行为模式
一个假想的混合的STW时间线：
1 启动程序
2 -> young GC
3 -> young GC
4 -> young GC
5 -> young GC + initial marking 初始标记
6 (... concurrent marking ...) 并发标记
7 -> young GC (... concurrent marking ...)
8 (... concurrent marking ...)
9 -> young GC (... concurrent marking ...)
10 -> final marking 最终标记
11 -> cleanup 清理
12 -> mixed GC
13 -> mixed GC
14 -> mixed GC
15 ...
16 -> mixed GC
17 -> young GC + initial marking
18 (... concurrent marking ...)
19 ...
G1的三种GC
G1的GC主要是YoungGC和MixedGC，G1追求尽量避免Full GC
G1的收集都是根据CSet进行操作的，YoungGC与MixedGC没有明显的不同，最大的区别在于两种收集的触发条件
1、Young/MinorGC
触发时机
YoungGC并不是说现有的Eden区放满了就会马上触发，G1会计算下现在Eden区回收大概要多久时间，如果回收时间远远小于参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值（默认200ms），那么增加年轻代的region，继续给新对象存放，不会马上做Young GC，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。
即：当Eden区放满时，预计一次Young GC时间接近200ms，才触发Young GC，否则分配一个新Region给Eden
但是，如果YoungGC发现当前正在进行XXX，并不会触发。
GC区域
只对新生代的区域做GC
YoungGC的行为
见Evacuation。
通过控制young gen的region个数来控制young GC的开销。
Young GC和全局并发标记有没有关系
没有什么关系。
从Evacuation的角度看，全局并发标记的结果是可有可无的。
从GC的角度看，Young GC不依赖全局并发标记，而Mixed GC通常需要全局并发标记的结果。
2、MixedGC
触发时机
『老年代/整个堆的百分比』达到 IHOP (-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)阈值，并且发生Young GC
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。
注意：达到 IHOP阈值触发的是『全局并发标记』，全局并发标记结束后才会Mixed GC
『全局并发标记』后，仍然不会立刻开始Mixed GC。
随后G1并不会马上开始一次混合收集，而是让应用线程先运行一段时间，等待触发一次年轻代收集。在这次STW中，G1将保准整理混合收集周期。接着再次让应用线程运行，当接下来的几次年轻代收集时，将会有老年代分区加入到CSet中，即触发混合收集，这些连续多次的混合收集称为混合收集周期(Mixed Collection Cycle)。
所以Mixed GC仍然依托于Young GC，然后修改它的CSet。
因此Mixed GC的真正触发时机是：
- 经历过『全局并发标记』，有老年代的区域需要GC
- 第一次触发Young GC，做choose CSet的操作
- 并且仍有老年代的区域没来得及GC
- 并且触发后续的Young GC时，通过修改它的CSet使Young GC变成Mixed GC。
GC区域
整个新生代和部分老年代，取决于你期望G1暂停的时间，和GC一个Region的价值
MixedGC的行为
见Evacuation。
选定所有young gen里的region，外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的若干old gen region。
因为每次GC的暂停时间由-XX:MaxGCPauseMills 控制，因此一次MixedGC未必能回收一次global concurrent marking所标记出的CSet。因此G1可能会产生连续多次的混合收集与应用线程交替执行。
这就解释了『G1工作周期』的12~16行出现的多次Mixed GC
G1的担保机制
在GC时先将要回收的Region区中存活的对象拷贝至别的Region区内，拷贝过程中，如果发现没有足够多的空闲Region区承载拷贝对象，此时就会触发一次Full GC。
3、Full GC
无法在堆空间中申请新的分区时，G1便会触发担保机制，执行一次STW式的、单线程的 Full GC。Full GC的收集代价非常昂贵，应该避免Full GC的发生。
G1的设计理念是尽量避免Full GC的发生
触发时机
触发full GC的场景：
- 从年轻代分区拷贝存活对象时，无法找到可用的空闲分区
- 从老年代分区转移存活对象时，无法找到可用的空闲分区
- 分配巨型对象时在老年代无法找到足够的连续分区
GC区域
当然是全部，包括元空间，大对象区域等。
FullGC的行为
JDK10之前，G1中的FullGC是采用serial old FullGC。
JDK10及之后，采用了并发式的。
G1重要配置参数
-XX:MaxGCPauseMillis：一般的期望的最大STW时间，默认值：200ms
-XX:GCPauseTimeInterval：严格的必须的最大STW时间，默认值：没有，即允许极端情况下G1 STW很久
-XX:ParallelGCThreads：并行工作最大线程数，默认值比较复杂，见『GC线程数量』
-XX:ConcGCThreads：并发工作最大线程数，默认值-XX:ParallelGCThreads除以4
Parallel并行线程数：STW时并行工作的线程数量
Conc并发线程数：并发标记（全局并发标记的第二步）时的工作线程数量
-XX:G1HeapRegionSize：每个Region的大小
-XX:G1(Max)NewSizePercent：初始（最大）新生代占堆内存的占比
-XX:G1HeapWastePercent：回收Region的「值得回收部分的」阈值，CSet的某个Region的可回收的内存占整堆超过该值才可能被GC，默认值为5%
