JVM 性能优化三G1 垃圾收集器 (1)，java 原理书籍

1. 第一步：开启 G1 垃圾收集器

2. 第二步：设置堆的最大内存

3. 第三步：设置最大的停顿时间

G1 中提供了三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC 和 Full GC ，在不同的条件下被触发。

二、原理

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G1 垃圾收集器相比于其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域

这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。

在 G1 划分区域中，年轻代垃圾收集器依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者 Survivor 空间，G1 收集器通过将对象从一个区域复制到另一个区域，完成了清理工作。

这就意味着，在正常的处理过程中，G1 完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有 CMS 内存碎片问题的存在了，

在 G1 中，有一种特殊的区域，叫 Humongous 区域。

• 如果一个对象占用的空间超过了分区容量 50%以上，G1 收集器就认为这是一个巨型对象

• 这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。

• 为了解决这个问题，G1 划分了一个 Humongous 区，它用来专门存放巨型对象，如果一个 H 区装不下一个巨型对象，那么 G1 会寻找连续的 H 分区存储，为了能找到连续的 H 区，有时候不得不启动 Full GC

三、Young GC

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Young GC 主要是对 Eden 区进行 GC，它在 Eden 空间耗尽时会被触发。

• Eden 空间的数据移动到 Survivor 空间中，如果 Survivor 空间不够，Eden 空间的部分数据会直接晋升到年老代空间

• Survivor 区的数据移动到新的 Survivor 区中，也有部分数据晋升到老年代空间中

• 最终 Eden 空间的数据为空，GC 停止工作，应用线程继续执行

3.1、Remembered Set（已记忆集合）

在 GC 年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢？

根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代的所有对象都是根吗？

如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间

于是，G1 引进了 Rset 的概念，它的全称是 Remembered Set，其作用是跟踪执行某个堆内的对象引用

每个 Region 初始化时，会初始化一个 remembered set（已记忆集合），这个翻译有点拗口，以下简称 RSet，该集合用来记录并跟踪其它 Region 指向该 Region 中对象的引用，每个 Region 默认按照 512Kb 划分成多个 Card，所以 RSet 需要记录的东西应该是 xx Region 的 xx Card。

3.2、Mixed GC

当越来越多的对象晋升到老年代 Old Region 时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，既 Mixed GC，该算法并不是一个 Old GC，除了回收整个 Young Region，还会回收一部分的 Old Region，这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代，可以选择那些 Old region 进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制，也要注意的是 Mixed GC 并不是 Full GC

Mixed GC 什么时候出发？由参数 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n决定。默认：45%，该参数的意思是：当老年代大小占用整个堆大小百分比达到该阈值时触发。

它的 GC 步骤分两步：

1. 全局并发标记（global concurrent marking）

2. 拷贝存活对象（evacuation）

3.2.1 全局并发标记

全局并发标记，执行过程分为五个步骤：

• **初始标记（initial mark ,STW）：**标记从根节点直接可达的对象，这个阶段会执行一次年轻代 GC，会产生全局停顿。

• 根区域扫描（root region scan）：

1. G1 GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象

2. 该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次 STW 年轻代垃圾回收。

• 并发标记（Concurrent Marking）： G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象，该阶段与应用程序同时运行，可以被 STW 年轻代垃圾回收中断

• 重新标记（Remark，STW）： 该阶段是 STW 回收，因为程序在运行，针对上一次的标记进行修改。

• 清楚垃圾（Cleanup，STW）： 轻点和重置标记状态，该阶段会 STW，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集，等待 evacuation 阶段来回收

3.2.2 拷贝存活对象

Evacuation 阶段是全暂停的，该阶段把一部分 Region 里的活对象拷贝到另一部分 Region 中，从而实现垃圾的回收清理。

四、G1 收集器相关参数

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• -XX: UseG1GC： 使用 G1 垃圾收集器

• -XX:MaxGCPauseMillis： 设置期望达到最大 GC 停顿时间指标（JVM 会尽力实现，但不保证达到），默认值是 200 毫秒

• -XX:G1HeapRegionSize=n：

1. 设置的 G1 区域的大小，值是 2 的幂，范围是 1MB 到 32MB 之间，目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域

2. 默认 是堆内存的 1/2000

• -XX:ParallelGCThreads=n： 设置 STW 工作线程数的值，将 n 的值设置为逻辑处理器的数量，n 的值与逻辑处理器的数量相同，最多为 8

• -XX:ConcGCThreads=n： 设置并行标记的线程数，将 n 设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGCThreads）的 1/4 左右

• **-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n： **设置出发标记周期的 java 堆占用率阈值，默认占用率是这个 Java 堆的 45%

五、测试

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5.1 测试代码：

public class TestGC {

// 实现：不断的产生新的数据（对象），随机的去废弃对象（垃圾）

public static void main(String[] args) throws Exception {

List<Object> list = new ArrayList<>();

while (true){

int sleep = new Random().nextInt(100);

if(System.currentTimeMillis() % 2 ==0){

//当前的时间戳，是偶数

list.clear();

}else{

//向 List 中添加 1000 个对象

for (int i = 0; i < 10000; i ) {

Properties properties = new Properties();

properties.put("key_" i,"value_" System.currentTimeMillis() i);

list.add(properties);

}

}

Thread.sleep(sleep);

}

}

}

5.2 测试参数：

-XX: UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX: PrintGCDetails -Xmx256m

5.3 日志输出：

[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0027884 secs]

[Parallel Time: 2.2 ms, GC Workers: 8]

[GC Worker Start (ms): Min: 542.1, Avg: 542.1, Max: 542.2, Diff: 0.1]

扫描根节点

[Ext Root Scanning (ms): Min: 0.1, Avg: 0.3, Max: 0.5, Diff: 0.4, Sum: 2.1]

更新 RS 区域所消耗的时间

[Update RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]

[Processed Buffers: Min: 0, Avg: 0.0, Max: 0, Diff: 0, Sum: 0]

[Scan RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]

[Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]

对象拷贝

[Object Copy (ms): Min: 1.6, Avg: 1.8, Max: 1.9, Diff: 0.4, Sum: 14.6]

[Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.3]

[Termination Attempts: Min: 1, Avg: 5.5, Max: 7, Diff: 6, Sum: 44]

[GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.2]

[GC Worker Total (ms): Min: 2.1, Avg: 2.1, Max: 2.2, Diff: 0.1, Sum: 17.2]

[GC Worker End (ms): Min: 544.2, Avg: 544.2, Max: 544.2, Diff: 0.0]

[Code Root Fixup: 0.0 ms]

[Code Root Purge: 0.0 ms]

[Clear CT: 0.1 ms] # 清空 CardTable

[Other: 0.5 ms]

[Choose CSet: 0.0 ms] # 选取 CSet

[Ref Proc: 0.4 ms] # 弱引用、软引用的处理耗时

[Ref Enq: 0.0 ms] # 弱引用、软引用的入队耗时

[Redirty Cards: 0.0 ms]

[Humongous Register: 0.0 ms] # 大对象区域注册耗时

[Humongous Reclaim: 0.0 ms] # 大对象区域回收耗时

[Free CSet: 0.0 ms]

[Eden: 12.0M(12.0M)->0.0B(13.0M) Survivors: 0.0B->2048.0K Heap: 12.0M(252.0M)->3282.5K(252.0M)] # 年轻代的大小统计

[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

五、对于 G1 垃圾回收器优化建议

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• 年轻代大小：

1. 避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其他相关选项显示设置年轻代大小

2. 固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标

• 暂停时间目标不要太过严苛

1. G1 GC 的吞吐量目标是 90% 的应用程序时间和 10%的垃圾回收时间

2. 评估 G1 GC 的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛，目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量

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