同优秀的CMS垃圾回收器一样，

• G1也是关注最小时延的垃圾回收器，
• 也同样适合大尺寸堆内存的垃圾收集，
• 官方也推荐使用G1来代替选择CMS。

G1最大的特点是引入分区的思路，

• 弱化了分代的概念，
• 合理利用垃圾收集各个周期的资源，
• 解决了其他收集器甚至CMS的众多缺陷。

串行收集器

• 
• 串行收集器组合 Serial + Serial Old
• 开启选项：-XX:+SerialGC
• 串行收集器是最基本、发展时间最长、的垃圾收集器，
  • 也是client模式下的默认收集器配置。
• 串行收集器采用单线程stop-the-world（STW）的方式进行收集。
  • 当内存不足时，
    • 串行GC设置停顿标识，待所有线程都进入安全点(Safepoint)时，
      • 应用线程暂停，串行GC开始工作，
      • 采用单线程方式回收空间并整理内存。
    • 单线程也意味着
      • 复杂度更低、
      • 占用内存更少，
      • 但同时也意味着不能有效利用多核优势。
    • 事实上，串行收集器特别适合堆内存不高、单核甚至双核CPU的场合。

并行收集器

• 
• 并行收集器组合 Parallel Scavenge + Parallel Old
• 开启选项：-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseParallelOldGC(可互相激活)
• 并行收集器是以关注吞吐量为目标的垃圾收集器
  • 也是server模式下的默认收集器配置，
  • 对吞吐量的关注主要体现在年轻代Parallel Scavenge收集器上。

并发标记清除收集器

• 
• 并发标记清除收集器组合 ParNew + CMS + Serial Old
• 开启选项：-XX:+UseConcMarkSweepGC
• 并发标记清除(CMS)是以关注延迟为目标、
  • 十分优秀的垃圾回收算法，
  • 开启后，年轻代使用STW式的并行收集，
  • 老年代回收采用CMS进行垃圾回收，
  • 对延迟的关注也主要体现在老年代CMS上。
• 年轻代ParNew与并行收集器类似，
• 而老年代CMS每个收集周期都要经历：
  • 初始标记、
    • 以STW的方式标记所有的根对象
  • 并发标记、
    • 并发标记则同应用线程一起并行，标记出根对象的可达路径；
  • 重新标记、
    • 标记那些应用线程修改而引起的可能错过的可达对象
  • 并发清除。
    • 最后得到的不可达对象将在并发清除阶段进行回收
  • 值得注意的是，初始标记和重新标记都已优化为多线程执行
• CMS非常适合堆内存大、
  • CPU核数多的服务器端应用，
  • 也是G1出现之前大型应用的首选收集器。
• 但是CMS并不完美，它有以下缺点：
  • （1）由于并发进行，
    • CMS在收集与应用线程会同时会增加对堆内存的占用，
      • 也就是说，CMS必须要在老年代堆内存用尽之前完成垃圾回收，
      • 否则CMS回收失败时，将触发担保机制，
        • 串行老年代收集器将会以STW（stop-the-world）的方式进行一次GC，从而造成较大停顿时间；
  • （2）标记清除算法无法整理空间碎片，
    • 老年代空间会随着应用时长被逐步耗尽，
      • 最后将不得不通过担保机制对堆内存进行压缩。
    • CMS也提供了参数-XX:CMSFullGCsBeForeCompaction(默认0，即每次都进行内存整理)来指定多少次CMS收集之后，进行一次压缩的Full GC。

Garbage First

• 
• Garbage First (G1)
  • 开启选项：-XX:+UseG1GC
• 之前介绍的几组垃圾收集器组合，都有几个共同点：
  • 年轻代、老年代是独立且连续的内存块；
  • 年轻代收集使用单eden、双survivor进行复制算法；
  • 老年代收集必须扫描整个老年代区域；
  • 都是以尽可能少而快地执行GC为设计原则。
• G1垃圾收集器也是
  • 以关注延迟为目标、
  • 服务器端应用的垃圾收集器，
  • 被HotSpot团队寄予取代CMS的使命
• G1也有类似CMS的收集动作：
  • 初始标记、并发标记、重新标记、清除、转移回收
  • 并且也以一个串行收集器做担保机制
• G1收集与以上三组收集器有很大不同：
  • G1的设计原则是"首先收集尽可能多的垃圾(Garbage First)"。
    • G1并不会等内存耗尽(串行、并行)或者快耗尽(CMS)的时候开始垃圾收集，
      • 而是在内部采用了启发式算法，
      • 在老年代找出具有高收集收益的分区进行收集。
    • 同时G1可以根据用户设置的暂停时间目标自动调整年轻代和总堆大小，
      • 暂停目标越短年轻代空间越小、总空间就越大；
  • G1采用内存分区(Region)的思路，
    • 将内存划分为一个个相等大小的内存分区，
      • 回收时则以分区为单位进行回收，
      • 存活的对象复制到另一个空闲分区中。
    • 由于都是以相等大小的分区为单位进行操作，
      • 因此G1天然就是一种压缩方案(局部压缩)；
  • G1虽然也是分代收集器，
    • 但整个内存分区不存在物理上的年轻代与老年代的区别，
    • 也不需要完全独立的survivor(to space)堆做复制准备。
    • G1只有逻辑上的分代概念，
    • 或者说每个分区都可能随G1的运行在不同代之间前后切换；
  • G1的收集都是STW（stop-the-world）的，
    • 但年轻代和老年代的收集界限比较模糊，
    • 采用了混合(mixed)收集的方式。
      • 即每次收集既可能只收集年轻代分区(年轻代收集)，
      • 也可能在收集年轻代的同时，包含部分老年代分区(混合收集)，
      • 这样即使堆内存很大时，也可以限制收集范围，从而降低停顿。

G1的内存模型

• 分区概念

  • 

• 分区

  • G1采用了分区(Region)的思路，
    • 将整个堆空间分成若干个大小相等的内存区域，
    • 每次分配对象空间将逐段地使用内存。
  • 因此，在堆的使用上，
    • G1并不要求对象的存储一定是物理上连续的，
    • 只要逻辑上连续即可；
  • 每个分区也不会确定地为某个代服务，
    • 可以按需在年轻代和老年代之间切换。
    • 启动时可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize=n
    • 可指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的幂)，
    • 默认将整堆划分为2048个分区。

• 卡片

  • 在每个分区内部又被分成了若干个大小为512 Byte卡片(Card)，
    • 堆内存最小可用粒度
  • 所有分区的卡片将会记录在全局卡片表(Global Card Table)中，
    • 分配的对象会占用物理上连续的若干个卡片，
    • 当查找对分区内对象的引用时便可通过记录卡片来查找该引用对象(见RSet)。
    • 每次对内存的回收，都是对指定分区的卡片进行处理。

• 堆

  • G1同样可以通过-Xms/-Xmx来指定堆空间大小。
  • 当发生年轻代收集或混合收集时，
    • 通过计算GC与应用的耗费时间比，
    • 自动调整堆空间大小。
  • 如果GC频率太高，则通过增加堆尺寸，来减少GC频率，
    • 相应地GC占用的时间也随之降低；
  • 目标参数-XX:GCTimeRatio即为GC与应用的耗费时间比，
    • G1默认为9，而CMS默认为99，
    • 因为CMS的设计原则是耗费在GC上的时间尽可能的少。
  • 另外，当空间不足，如对象空间分配或转移失败时，
    • G1会首先尝试增加堆空间，
    • 如果扩容失败，则发起担保的Full GC。
    • Full GC后，堆尺寸计算结果也会调整堆空间。

• 分代模型

  • 

• 分代

  • G1将内存在逻辑上划分为年轻代和老年代，
    • 其中年轻代又划分为Eden空间和Survivor空间。
  • 但年轻代空间并不是固定不变的，
    • 当现有年轻代分区占满时，JVM会分配新的空闲分区加入到年轻代空间。
  • 整个年轻代内存会在初始空间-XX:G1NewSizePercent(默认整堆5%)与最大空间-XX:G1MaxNewSizePercent(默认60%)之间动态变化，
    • 且由参数目标暂停时间-XX:MaxGCPauseMillis(默认200ms)、需要扩缩容的大小以及分区的已记忆集合(RSet)计算得到。
    • 当然，G1依然可以设置固定的年轻代大小(参数-XX:NewRatio、-Xmn)，但同时暂停目标将失去意义。

• 本地分配缓冲

  • 本地分配缓冲 Local allocation buffer (Lab)
  • 由于分区的思想，
    • 每个线程均可以"认领"某个分区用于线程本地的内存分配，
    • 而不需要顾及分区是否连续。
  • 因此，每个应用线程和GC线程都会独立的使用分区，
    • 进而减少同步时间，提升GC效率，这个分区称为本地分配缓冲区(Lab)。
  • 其中，应用线程可以独占一个本地缓冲区(TLAB)来创建的对象，
  • 而大部分都会落入Eden区域(巨型对象或分配失败除外)，
    • 因此TLAB的分区属于Eden空间；
  • 而每次垃圾收集时，每个GC线程同样可以独占一个本地缓冲区(GCLAB)用来转移对象，
    • 每次回收会将对象复制到Suvivor空间或老年代空间；
  • 对于从Eden/Survivor空间晋升(Promotion)到Survivor/老年代空间的对象，
    • 同样有GC独占的本地缓冲区进行操作，
    • 该部分称为晋升本地缓冲区(PLAB)。

• 分区模型

  • 
  • G1对内存的使用以分区(Region)为单位，而对对象的分配则以卡片(Card)为单位。

• 巨型对象

  • 巨型对象 Humongous Region
    • 一个大小达到甚至超过分区大小一半的对象称为巨型对象(Humongous Object)。
  • 因为巨型对象的移动成本很高，
    • 而且有可能一个分区不能容纳巨型对象。
  • 因此，巨型对象会直接在老年代分配，
    • 所占用的连续空间称为巨型分区(Humongous Region)。
  • 巨型对象会独占一个、或多个连续分区，
    • 其中第一个分区被标记为开始巨型(StartsHumongous)，
    • 相邻连续分区被标记为连续巨型(ContinuesHumongous)。

• 已记忆集合

  • 已记忆集合 Remember Set (RSet)
  • 在串行和并行收集器中，
    • GC通过整堆扫描，来确定对象是否处于可达路径中
  • G1为了避免STW式的整堆扫描，
    • 在每个分区记录了一个已记忆集合(RSet)，
    • 内部类似一个反向指针，
    • 记录引用分区内对象的卡片索引。
  • 当要回收该分区时，通过扫描分区的RSet，
    • 来确定引用本分区内的对象是否存活，
    • 进而确定本分区内的对象存活情况。
  • 事实上，并非所有的引用都需要记录在RSet中，
    • 如果一个分区确定需要扫描，那么无需RSet也可以无遗漏的得到引用关系。
      • 那么引用源自本分区的对象，当然不用落入RSet中；
      • 同时，G1 GC每次都会对年轻代进行整体收集，因此引用源自年轻代的对象，也不需要在RSet中记录。
      • 最后只有老年代的分区可能会有RSet记录，
        • 这些分区称为拥有RSet分区(an RSet’s owning region)。

• Per Region Table

  • RSet在内部使用Per Region Table(PRT)记录分区的引用情况
  • 由于RSet的记录要占用分区的空间，
    • 如果一个分区非常"受欢迎"，
    • 那么RSet占用的空间会上升，从而降低分区的可用空间。
    • G1应对这个问题采用了改变RSet的密度的方式
      • 在PRT中将会以三种模式记录引用：
        • 稀少：直接记录引用对象的卡片索引
        • 细粒度：记录引用对象的分区索引
        • 粗粒度：只记录引用情况，每个分区对应一个比特位
      • 粗粒度的PRT只是记录了引用数量，
        • 需要通过整堆扫描才能找出所有引用，
        • 因此扫描速度也是最慢的。

• 收集集合 (CSet)

  • 
  • 收集集合(CSet)代表每次GC暂停时回收的一系列目标分区。

  • 年轻代收集集合

    • 年轻代收集集合 CSet of Young Collection
    • 当JVM分配对象到Eden区域失败(Eden区已满)时，
      • 便会触发一次STW式的年轻代收集。
    • 在年轻代收集中，
      • Eden分区存活的对象将被拷贝到Survivor分区；
      • 原有Survivor分区存活的对象，
        • 将根据任期阈值(tenuring threshold)分别晋升到PLAB中，
        • 新的survivor分区和老年代分区。
      • 而原有的年轻代分区将被整体回收掉。
    • 同时，年轻代收集还负责维护对象的年龄(存活次数)，
      • 辅助判断老化(tenuring)对象晋升的时候是到Survivor分区还是到老年代分区。
      • 年轻代收集首先先将晋升对象尺寸总和、对象年龄信息维护到年龄表中，再根据年龄表、Survivor尺寸、Survivor填充容量-XX:TargetSurvivorRatio(默认50%)、最大任期阈值-XX:MaxTenuringThreshold(默认15)，
      • 计算出一个恰当的任期阈值，凡是超过任期阈值的对象都会被晋升到老年代。

  • 混合收集集合

    • 混合收集集合 CSet of Mixed Collection
    • 当老年代占用空间超过整堆比IHOP阈值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默认45%)时，
      • G1就会启动一次混合垃圾收集周期。
    • 为了满足暂停目标（暂停的时间限制），
      • G1可能不能一口气将所有的候选分区收集掉，
      • 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，
      • 每次STW的混合收集与年轻代收集过程相类似。