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G1原理及調優
1 G1簡介
G1(Garbage-First）是一款面向服務器的垃圾收集器，支持新生代和老年代空間的垃圾收集，主要針對配備多核處理器及大容量內存的機器，G1最主要的設計目標是: 實現可預期及可配置的STW停頓時間
2 G1堆空間划分
- Region
為實現大內存空間的低停頓時間的回收，將划分為多個大小相等的Region。每個小堆區都可能是 Eden區，Survivor區或者Old區，但是在同一時刻只能屬於某個代
在邏輯上, 所有的Eden區和Survivor區合起來就是新生代，所有的Old區合起來就是老年代，且新生代和老年代各自的內存Region區域由G1自動控制，不斷變動
- 巨型對象
當對象大小超過Region的一半，則認為是巨型對象(Humongous Object)，直接被分配到老年代的巨型對象區(Humongous regions)，這些巨型區域是一個連續的區域集，每一個Region中最多有一個巨型對象，巨型對象可以占多個Region
G1把堆內存划分成一個個Region的意義在於：
- 每次GC不必都去處理整個堆空間，而是每次只處理一部分Region，實現大容量內存的GC
- 通過計算每個Region的回收價值，包括回收所需時間、可回收空間，在有限時間內盡可能回收更多的內存，把垃圾回收造成的停頓時間控制在預期配置的時間范圍內，這也是G1名稱的由來: garbage-first
3 G1工作模式
針對新生代和老年代，G1提供2種GC模式，Young GC和Mixed GC，兩種會導致Stop The World
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Young GC 當新生代的空間不足時，G1觸發Young GC回收新生代空間 Young GC主要是對Eden區進行GC，它在Eden空間耗盡時觸發，基於分代回收思想和復制算法，每次Young GC都會選定所有新生代的Region，同時計算下次Young GC所需的Eden區和Survivor區的空間，動態調整新生代所占Region個數來控制Young GC開銷
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Mixed GC 當老年代空間達到閾值會觸發Mixed GC，選定所有新生代里的Region，根據全局並發標記階段(下面介紹到)統計得出收集收益高的若干老年代 Region。在用戶指定的開銷目標范圍內，盡可能選擇收益高的老年代Region進行GC，通過選擇哪些老年代Region和選擇多少Region來控制Mixed GC開銷
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G1的正常處理流程中沒有Full GC，只有在垃圾回收處理不過來(或者主動觸發)時才會出現， G1的Full GC就是單線程執行的Serial old gc，會導致非常長的STW，是調優的重點，需要盡量避免Full GC，常見原因如下：
4 全局並發標記
全局並發標記主要是為Mixed GC計算找出回收收益較高的Region區域，具體分為5個階段
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階段 1: 初始標記(Initial Mark) 暫停所有應用線程（STW），並發地進行標記從 GC Root 開始直接可達的對象（原生棧對象、全局對象、JNI 對象），當達到觸發條件時，G1 並不會立即發起並發標記周期，而是等待下一次新生代收集，利用新生代收集的 STW 時間段，完成初始標記，這種方式稱為借道（Piggybacking）
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階段 2: 根區域掃描（Root Region Scan） 在初始標記暫停結束后，新生代收集也完成的對象復制到 Survivor 的工作，應用線程開始活躍起來； 此時為了保證標記算法的正確性，所有新復制到 Survivor 分區的對象，需要找出哪些對象存在對老年代對象的引用，把這些對象標記成根(Root)； 這個過程稱為根分區掃描（Root Region Scanning），同時掃描的 Suvivor 分區也被稱為根分區（Root Region）； 根分區掃描必須在下一次新生代垃圾收集啟動前完成（接下來並發標記的過程中，可能會被若干次新生代垃圾收集打斷），因為每次 GC 會產生新的存活對象集合
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階段 3: 並發標記（Concurrent Marking） 標記線程與應用程序線程並行執行，標記各個堆中Region的存活對象信息，這個步驟可能被新的 Young GC 打斷 所有的標記任務必須在堆滿前就完成掃描，如果並發標記耗時很長，那么有可能在並發標記過程中，又經歷了幾次新生代收集
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階段 4: 再次標記(Remark) 和CMS類似暫停所有應用線程（STW），以完成標記過程短暫地停止應用線程, 標記在並發標記階段發生變化的對象，和所有未被標記的存活對象，同時完成存活數據計算
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階段 5: 清理(Cleanup) 為即將到來的轉移階段做准備, 此階段也為下一次標記執行所有必需的整理計算工作：
- 整理更新每個Region各自的RSet(remember set，HashMap結構，記錄有哪些老年代對象指向本Region，key為指向本Region的對象的引用，value為指向本Region的具體Card區域，通過RSet可以確定Region中對象存活信息，避免全堆掃描)
- 回收不包含存活對象的Region
- 統計計算回收收益高（基於釋放空間和暫停目標）的老年代分區集合
5 G1調優注意點
Full GC問題
G1的正常處理流程中沒有Full GC，只有在垃圾回收處理不過來(或者主動觸發)時才會出現， G1的Full GC就是單線程執行的Serial old gc，會導致非常長的STW，是調優的重點，需要盡量避免Full GC，常見原因如下：
- 程序主動執行System.gc()
- 全局並發標記期間老年代空間被填滿（並發模式失敗）
- Mixed GC期間老年代空間被填滿（晉升失敗）
- Young GC時Survivor空間和老年代沒有足夠空間容納存活對象
類似CMS，常見的解決是：
- 增大-XX:ConcGCThreads=n 選項增加並發標記線程的數量，或者STW期間並行線程的數量：-XX:ParallelGCThreads=n
- 減小-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提前啟動標記周期
- 增大預留內存 -XX:G1ReservePercent=n ，默認值是10，代表使用10%的堆內存為預留內存，當Survivor區域沒有足夠空間容納新晉升對象時會嘗試使用預留內存
巨型對象分配
巨型對象區中的每個Region中包含一個巨型對象，剩余空間不再利用，導致空間碎片化，當G1沒有合適空間分配巨型對象時，G1會啟動串行Full GC來釋放空間。可以通過增加 -XX:G1HeapRegionSize來增大Region大小，這樣一來，相當一部分的巨型對象就不再是巨型對象了，而是采用普通的分配方式
不要設置Young區的大小
原因是為了盡量滿足目標停頓時間，邏輯上的Young區會進行動態調整。如果設置了大小，則會覆蓋掉並且會禁用掉對停頓時間的控制
平均響應時間設置
使用應用的平均響應時間作為參考來設置MaxGCPauseMillis，JVM會盡量去滿足該條件，可能是90%的請求或者更多的響應時間在這之內， 但是並不代表是所有的請求都能滿足，平均響應時間設置過小會導致頻繁GC.
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