文章预习：JVM性能优化（二）垃圾回收算法详解

一、简介

G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS

G1的设计 原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

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

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

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

• -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

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

• 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

六、可视化GC日志分析工具

6.1 GC日志输出参数

前面通过 -XX:PrintGCDetails可以对GC日志进行打印，我们就可以在控制台查看，这样虽然可以查看GC的信息，但是并不直观，可以借助于第三方的GC日志分析工具进行查看

在日志打印输出设计到的参数如下：

• -XX：+PrintGC：输出GC日志
• -XX：+PrintGCDetails：输出GC的详细日志
• -XX：+PrintGCTimeStamps：输出GC的时间戳（以基准的时间的形式）
• -XX：+PrintGCDateStamps：输出GC的时间戳（以日期的形式，如： 2020-05-04T21:25.234+0800）
• -XX：+PrintHeapAtGC：在进行GC的前后打印出堆的信息
• -Xloggc：…/logs/gc.log 日志文件的输出路径

测试参数：

-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -Xmx256m -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC -Xloggc:E://test//gc.log

运行main 方法后，我们就可以在 E://test//gc.log下发现一个 gc.log 的日志文件：

6.2 GC Easy 可视化工具

GC Easy是一款在线可视化工具，易用、功能强大，可以通过GC日志分析进行内存泄露检测、GC暂停原因分析、JVM配置建议优化等功能，而且是可以免费使用的
网站地址：http://gceasy.io

上传gc.log后，点击Analyze，就可以查看日志报告了

JVM的各个分代区域分配的内存及使用峰值的内存

关键性能指标： 吞吐量及GC暂停平均时间、最大时间、各个时间段的比例

• Throughput表示的是吞吐量
• Latency表示响应时间
  1. Avg Pause GC Time 平均GC时间
  2. Max Pause GC TIme 最大GC时间
     

第一部分是Heap after GC，GC后堆的内存图，堆是用来存储对象的

第二部分是Heap before GC，这是GC前堆的使用率，可以看出随着程序的运行，堆使用率越来越高，堆被对象占用的内存越来越大。

第三部分是GC Duration Time，就是GC持续时间。从图中可以看到，发生Full GC的时间持续的比较短，而Young GC持续的时间比较长。图中横坐标表示GC发生的时间段，纵坐标表示的是GC持续时间。

表示的是GC回收掉的垃圾对象的内存大小。
GC Statistics

**Reclaimed Bytes(gb)：**表示的是堆内存中Minor GC和Full GC回收垃圾对象的内存。
GC cumulative Time（ms）：总计GC时间，包括Minor GC和Full GC，时间单位为ms。
GC Average Time（ms）：GC平均时间，包括了Minor GC和Full GC。

总GC统计
MinorGC的统计
FullGC的统计
GC暂停程序的统计

七、结束语

到这里G1垃圾回收器就讲完了，感兴趣的小伙伴记得点赞关注，大家加油！