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我眼中的G1 GC
7歲那年，當我合上《上下五千年》一套三冊全書時，我對自己說，我想當個作家。這一晃27年了，等待了27年，我的第一本書《大話Java性能優化》在2016年4月正式麵世，2016年8月第二次印刷，2017年5月第三次印刷，感謝讀者的厚愛。《深入理解JVM&G1 GC》這本書是我的第二本書，也即將麵世。對於我的每一本書，我都懷著忐忑、驚喜的心情，就像第一次麵對我的女兒“小頑子”，給她取這個小名，希望她頑強到底，因為我相信，你若頑強到底，一切皆有可能。
我喜歡看書，每年購買的書接近100本，也喜歡對技術進行積累。一直沒有出書的想法，直到遇到了電子工業出版社的董老師，在深圳南湖的一席暢談後，我決定做一位業餘的技術作家，致力於中國軟件開發行業的技術推廣、普及、推動。
這本書是介紹JVM和G1 GC的，讓我們回憶一下。還記得哆啦A夢嗎？他和大熊有一張書桌，書桌的抽屜其實是一個時空穿梭通道，現在讓我們來掌控這個時空機器，回到1998年。那年的12月8日，第二代Java平台的企業版J2EE正式對外發布。為了配合企業級應用落地，1999年4月27日，Java程序的舞台—Java HotSpot Virtual Machine（以下簡稱HotSpot ）正式對外發布，並從這之後發布的JDK1.3版本開始，HotSpot成為Sun JDK的默認虛擬機。
GC發展曆史簡介
1999年隨JDK1.3.1一起來的是串行方式的Serial GC ，它是第一款GC，並且這隻是起點。此後，JDK1.4和J2SE1.3相繼發布。2002年2月26日，J2SE1.4發布，Parallel GC 和Concurrent Mark Sweep （CMS）GC跟隨JDK1.4.2一起發布，並且Parallel GC在JDK6之後成為HotSpot默認GC。
HotSpot有這麼多的垃圾回收器，那麼如果有人問，Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC這三個GC有什麼不同呢？請記住以下口令：
- 如果你想要最小化地使用內存和並行開銷，請選Serial GC；
- 如果你想要最大化應用程序的吞吐量，請選Parallel GC；
- 如果你想要最小化GC的中斷或停頓時間，請選CMS GC。
那麼問題來了，既然我們已經有了上麵三個強大的GC，為什麼還要發布Garbage First（G1）GC？原因就在於應用程序所應對的業務越來越龐大、複雜，用戶越來越多，沒有GC就不能保證應用程序正常進行，而經常造成STW的GC又跟不上實際的需求，所以才會不斷地嚐試對GC進行優化。
為什麼名字叫做Garbage First（G1）呢？
因為G1是一個並行回收器，它把堆內存分割為很多不相關的區間（Region），每個區間可以屬於老年代或者年輕代，並且每個年齡代區間可以是物理上不連續的。
老年代區間這個設計理念本身是為了服務於並行後台線程，這些線程的主要工作是尋找未被引用的對象。而這樣就會產生一種現象，即某些區間的垃圾（未被引用對象）多於其他的區間。
垃圾回收時實則都是需要停下應用程序的，不然就沒有辦法防治應用程序的幹擾 ，然後G1 GC可以集中精力在垃圾最多的區間上，並且隻會費一點點時間就可以清空這些區間裏的垃圾，騰出完全空閑的區間。
繞來繞去終於明白了，由於這種方式的側重點在於處理垃圾最多的區間，所以我們給G1一個名字：垃圾優先（Garbage First）。
G1 GC基本思想
G1 GC是一個壓縮收集器，它基於回收最大量的垃圾原理進行設計。G1 GC利用遞增、並行、獨占暫停這些屬性，通過拷貝方式完成壓縮目標。此外，它也借助並行、多階段並行標記這些方式來幫助減少標記、重標記、清除暫停的停頓時間，讓停頓時間最小化是它的設計目標之一。
G1回收器是在JDK1.7中正式投入使用的全新的垃圾回收器，從長期目標來看，它是為了取代CMS 回收器。G1回收器擁有獨特的垃圾回收策略，這和之前提到的回收器截然不同。從分代上看，G1依然屬於分代型垃圾回收器，它會區分年輕代和老年代，年輕代依然有Eden區和Survivor區，但從堆的結構上看，它並不要求整個Eden區、年輕代或者老年代在物理上都是連續。
綜合來說，G1使用了全新的分區算法，其特點如下所示：
- 並行性：G1在回收期間，可以有多個GC線程同時工作，有效利用多核計算能力；
- 並發性：G1擁有與應用程序交替執行的能力，部分工作可以和應用程序同時執行，因此，一般來說，不會在整個回收階段發生完全阻塞應用程序的情況；
- 分代GC：G1依然是一個分代收集器，但是和之前的各類回收器不同，它同時兼顧年輕代和老年代。對比其他回收器，或者工作在年輕代，或者工作在老年代；
- 空間整理：G1在回收過程中，會進行適當的對象移動，不像CMS隻是簡單地標記清理對象。在若幹次GC後，CMS必須進行一次碎片整理。而G1不同，它每次回收都會有效地複製對象，減少空間碎片，進而提升內部循環速度。
- 可預見性：由於分區的原因，G1可以隻選取部分區域進行內存回收，這樣縮小了回收的範圍，因此對於全局停頓情況的發生也能得到較好的控製。
隨著G1 GC的出現，GC從傳統的連續堆內存布局設計，逐漸走向不連續內存塊，這是通過引入Region概念實現，也就是說，由一堆不連續的Region組成了堆內存。其實也不能說是不連續的，隻是它從傳統的物理連續逐漸改變為邏輯上的連續，這是通過Region的動態分配方式實現的，我們可以把一個Region分配給Eden、Survivor、老年代、大對象區間、空閑區間等的任意一個，而不是固定它的作用，因為越是固定，越是呆板。
G1 GC垃圾回收機製
通過市場的力量，不斷淘汰舊的行業，把有限的資源讓給那些競爭力更強、利潤率更高的企業。類似地，矽穀也在不斷淘汰過時的人員，從全世界吸收新鮮血液。經過半個多世紀的發展，在矽穀地區便形成隻有卓越才能生存的文化。本著這樣的理念，GC承擔了淘汰垃圾、保存優良資產的任務。
G1 GC在回收暫停階段會回收最大量的堆內區間（Region），這是它的設計目標，通過回收區間達到回收垃圾的目的。這裏隻有一個例外情況，這個例外發生在並行標記階段的清除（Cleanup）步驟，如果G1 GC在清除步驟發現所有的區間都是由可回收垃圾組成的，那麼它會立即回收這些區間，並且將這些區間插入到一個基於LinkedList實現的空閑區間隊列裏，以待後用。因此，釋放這些區間並不需要等待下一個垃圾回收中斷，它是實時執行的，即清除階段起到了最後一道把控作用。這是G1 GC和之前的幾代GC的一大差別。
G1 GC的垃圾回收循環由四個主要類型組成：
- 年輕代循環
- 多步驟並行標記循環
- 混合收集循環
- Full GC
在年輕代回收期，G1 GC暫停應用程序線程，然後從年輕代區間移動存活對象到Survivor區間或者老年區間，也有可能是兩個區間都會涉及。對於一個混合回收期，G1 GC從老年區間移動存活對象到空閑區間，這些空閑區間也就成為了老年代的一部分。
技術方麵介紹到這裏，有興趣的讀者可以買一本看看。這本書主要為學習Java語言的學生、初級程序員提供JVM和GC的使用和優化建議及經驗交流，力求做到知識的綜合傳播，而不是僅僅隻針對Java虛擬機調優進行講解。本書具體來說包括以下幾方麵：JVM基礎知識、GC基礎知識、G1 GC深入介紹、G1 GC調優建議、JDK自帶工具使用介紹等。
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最後更新：2017-06-22 10:32:09