15.垃圾收集器G1&ZGC详解

小虾米吃橘子
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G1收集器

G1 (Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足GC停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征.

G1的调优目的，尽量不产生full gc，对停顿时间做合理的把控。

G1将Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），JVM目标是不超过2048个Region

物理内存上没有分代概念，逻辑上依然存在。

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（对象超过了一个Region大小的50%）的Region叫Humongous区，而不是让大对象直接进入老年代的Region中。

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。

GC大致步骤

G1收集器一次GC(主要值Mixed GC)的运作过程大致分为以下几个步骤

  • 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STW时间(可以用JVM参数 -XX:MaxGCPauseMillis指定)来制定回收计划

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

G1垃圾收集分类

YoungGC

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，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

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，正常情况G1的垃圾收集是先做MixedGC，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，然后采用单线程进行标记、清理和压缩整理，好空闲出来一批Region来供下一次MixedGC使用，这个过程是非常耗时的。(Shenandoah优化成多线程收集了)

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%，值配置整数，默认就是百分比)
  • -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，则可能就要触发MixedGC了
  • -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。

什么场景适合使用G1

  1. 50%以上的堆被存活对象占用
  2. 对象分配和晋升的速度变化非常大
  3. 垃圾回收时间特别长，超过1秒
  4. 8GB以上的堆内存(建议值)
  5. 停顿时间是500ms以内

ZGC收集器

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可以说源自于是Azul System公司开发的C4（Concurrent Continuously Compacting Collector） 收集器。

ZGC收集器是一款基于Region内存布局的， 暂时不设分代的， 使用了读屏障、 颜色指针等技术来实现可并发的标记-整理算法的， 以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。

ZGC是能自动感知NUMA架构并充分利用NUMA架构特性的。

ZGC存在的问题

由于没有分代概念，停顿时间10ms以下，产生浮动垃圾。

如何选择垃圾收集器

  1. 优先调整堆的大小让服务器自己来选择
  2. 如果内存小于100M，使用串行收集器
  3. 如果是单核，并且没有停顿时间的要求，串行或JVM自己选择
  4. 如果允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选
  5. 如果响应时间最重要，并且不能超过1秒，使用并发收集器
  6. 4G以下可以用parallel，4-8G可以用ParNew+CMS，8G以上可以用G1，几百G以上用ZGC

安全点与安全区域

安全点就是指代码中一些特定的位置

  1. 方法返回之前
  2. 调用某个方法之后
  3. 抛出异常的位置
  4. 循环的末尾

GC需要等待所有线程运行到安全点后才能触发。GC中断线程的大致过程：

  • GC设置一个标志位
  • 各个线程执行过程时会不停地主动去轮询这个标志
  • 发现中断标志为真时就自己在最近的安全点上主动中断挂起

Safe Region 是指在一段代码片段中，引用关系不会发生变化。在这个区域内的任意地方开始 GC 都是安全的。

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