G1垃圾收集器详细学习指南
G1垃圾收集器详细学习指南
目录导航
- 1. G1垃圾收集器简介
- 2. G1的设计理念和核心特性
- 3. G1的内存布局详解
- 4. G1垃圾收集的详细过程
- 5. G1的调优参数和实践
- 6. G1与其他垃圾收集器的对比
- 7. 实际应用场景和案例分析
- 8. 常见问题和解决方案
1. G1垃圾收集器简介
什么是G1垃圾收集器?
G1(Garbage First)垃圾收集器是Oracle在JDK 7中引入的一款低延迟垃圾收集器,并在JDK 9中成为默认的垃圾收集器。它的设计目标是在大内存应用场景下,提供可预测的暂停时间控制。
G1的发展历程
- JDK 7: G1作为实验性特性引入
- JDK 8: G1成为正式支持的垃圾收集器
- JDK 9: G1成为服务器端JVM的默认垃圾收集器
- JDK 10+: 持续优化和性能改进
2. G1的设计理念和核心特性
设计目标
G1的主要设计目标是在大内存环境下(通常指4GB以上)提供:
- 可预测的暂停时间:用户可以设置期望的最大暂停时间
- 高吞吐量:尽可能减少垃圾收集对应用性能的影响
- 低延迟:避免长时间的Stop-the-World暂停
- 内存效率:有效管理大堆内存
核心特性
1. 分代收集但布局不同
传统的分代收集器把堆内存分为固定的年轻代和老年代区域。而G1虽然也是分代收集器,但它的布局完全不同——整个堆被分成许多大小相等的Region(区域),每个Region可以是年轻代、老年代或者其他特殊用途。
传统分代 vs G1分代布局对比
传统分代布局:
G1布局(Region-based):
2. 增量并发收集
G1不需要一次性收集整个堆,而是可以选择性地收集部分Region。它会跟踪每个Region中垃圾的数量,优先收集垃圾最多的Region(这就是"Garbage First"名字的由来)。
3. 可预测的暂停时间
通过设置-XX:MaxGCPauseMillis参数,用户可以指定期望的最大暂停时间。G1会尽力在这个时间范围内完成垃圾收集。
3. G1的内存布局详解
Region的概念
G1将整个Java堆内存划分为多个大小相等的Region。每个Region的大小通常在1MB到32MB之间,具体大小由堆大小决定,计算公式为:堆大小除以2048。
Region大小计算示例:
- 8GB堆 → 8192MB ÷ 2048 = 4MB per Region
- 16GB堆 → 16384MB ÷ 2048 = 8MB per Region
- 32GB堆 → 32768MB ÷ 2048 = 16MB per Region
Region的类型
G1中的Region类型
Eden区域
新对象分配
Survivor区域
存活的年轻对象
老年代区域
长期存活对象
巨型对象区域
大对象存储
空闲区域
未使用空间
1. Eden Region
2. Survivor Region
3. Old Generation Region
4. Humongous Region
当对象大小超过Region大小的50%时,这个对象被称为Humongous Object(巨型对象),会被存储在一个或多个连续的Humongous Region中。
举例:如果Region大小是4MB,那么超过2MB的对象就是巨型对象。比如一个很大的数组或者字符串。
5. Free Region
4. G1垃圾收集的详细过程
G1的垃圾收集过程可以分为几个不同的阶段,每个阶段都有其特定的目的和执行方式。让我们详细了解每个阶段:
4.1 年轻代收集(Young GC)
年轻代收集是G1中最频繁的垃圾收集活动。当Eden Region被填满时,G1会启动年轻代收集。这个过程会收集所有的Eden Region和Survivor Region。
年轻代收集的详细步骤:
步骤1:暂停所有应用线程(Stop-the-World)
G1首先会暂停所有的应用线程。这是必要的,因为在垃圾收集过程中,内存的状态需要保持一致。就像要清理房间时,需要先让所有人都停下来一样。
步骤2:扫描根对象
G1会从根对象开始扫描,包括:
- 虚拟机栈中的对象引用
- 方法区中的静态变量引用
- JNI引用
- 其他线程中的对象引用
这就像是找出所有"重要的"物品,确保不会被误扔掉。
步骤3:标记存活对象
从根对象开始,G1会遍历所有可达的对象,并标记它们为"存活"。这个过程使用了三色标记算法:
- 白色:未被访问的对象(将被回收)
- 灰色:已被访问但其引用的对象未全部扫描完的对象
- 黑色:已被访问且其引用的对象也全部扫描完的对象
步骤4:复制存活对象
G1使用复制算法来处理年轻代。所有在Eden Region中存活的对象会被复制到Survivor Region,而在Survivor Region中存活的对象如果年龄达到阈值,就会被晋升到Old Generation Region。
年轻代收集前后的内存状态
收集前:
收集后:
步骤5:更新引用和清理
复制完成后,G1需要更新所有指向被移动对象的引用,然后清理原来的Eden Region,将其标记为Free Region供下次使用。
4.2 并发标记周期(Concurrent Marking Cycle)
并发标记周期是G1中最复杂的过程,用于识别老年代中的垃圾对象。这个过程大部分时间是与应用程序并发执行的,以减少对应用程序的影响。
并发标记周期的触发条件:
- 老年代使用率达到阈值(默认45%,可通过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent设置)
- 分配巨型对象时发现堆使用率过高
- 之前的混合收集无法满足暂停时间目标
并发标记周期的详细阶段:
阶段1:初始标记(Initial Mark)
这是并发标记周期的第一个阶段,需要暂停所有应用线程(Stop-the-World)。
- 目的:标记所有从根对象直接可达的对象
- 执行时间:通常很短,几毫秒到十几毫秒
- 触发时机:通常与年轻代收集一起执行,利用年轻代收集的暂停时间
阶段2:根区域扫描(Root Region Scanning)
这个阶段与应用程序并发执行,不需要暂停应用线程。
- 目的:扫描Survivor Region中的对象,找出它们引用的老年代对象
- 重要性:Survivor Region中的对象可能会引用老年代对象,这些引用需要在并发标记阶段被处理
- 完成条件:必须在下一次年轻代收集开始前完成
阶段3:并发标记(Concurrent Marking)
这是并发标记周期中最长的阶段,与应用程序完全并发执行。
- 目的:遍历整个堆,标记所有可达的对象
- 并发性:与应用程序同时运行,不会暂停应用线程
- 算法:使用三色标记算法,从初始标记阶段标记的对象开始遍历
- 时间:可能需要几秒钟到几分钟,取决于堆大小和对象数量
阶段4:重新标记(Remark)
这个阶段需要暂停所有应用线程,用于处理并发标记期间应用程序产生的对象引用变化。
- 目的:处理并发标记期间应用程序修改的对象引用
- 必要性:由于并发标记期间应用程序仍在运行,可能会有新的对象引用关系产生
- 算法:使用SATB(Snapshot-At-The-Beginning)算法
- 时间:通常比初始标记稍长,但仍然很短
阶段5:清理(Cleanup)
这是并发标记周期的最后一个阶段,需要短暂的Stop-the-World暂停。
- 目的:统计每个Region中存活对象的数量,为混合收集做准备
- 统计内容:计算每个Region的存活率(存活对象占Region大小的比例)
- 排序:根据存活率对Region进行排序,垃圾最多的Region排在前面
- 决定:决定是否需要进行混合收集
清理阶段的Region排序示例
按存活率排序的Region(从低到高):
4.3 混合收集(Mixed GC)
混合收集是G1中处理老年代垃圾的主要方式。它会同时收集年轻代和部分老年代Region,优先收集垃圾最多的老年代Region。
混合收集的触发条件:
- 并发标记周期完成后,如果老年代垃圾较多
- Eden Region被填满,需要年轻代收集
- G1决定同时收集一些老年代Region
混合收集的详细过程:
步骤1:选择收集集合(Collection Set)
G1会根据以下策略选择要收集的Region:
- 所有Eden Region:必须收集
- 所有Survivor Region:必须收集
- 部分老年代Region:根据存活率排序,优先选择垃圾最多的Region
步骤2:暂停应用线程(Stop-the-World)
混合收集需要暂停所有应用线程,因为需要移动对象和更新引用。
步骤3:标记存活对象
在选定的收集集合中标记所有存活的对象。这个过程与年轻代收集类似,但范围更大。
步骤4:复制存活对象
将收集集合中存活的对象复制到其他Region:
- 年轻代对象:复制到Survivor Region或晋升到老年代
- 老年代对象:复制到其他老年代Region
步骤5:更新引用和清理
更新所有指向被移动对象的引用,然后清理收集集合中的Region,将它们标记为Free Region。
混合收集前后的内存状态
收集前:
收集后:
5. G1的调优参数和实践
5.1 核心调优参数
G1提供了丰富的调优参数,可以根据应用程序的特点进行优化。以下是最重要的参数:
参数 | 默认值 | 说明 | 调优建议 |
---|---|---|---|
-XX:MaxGCPauseMillis | 200ms | 期望的最大暂停时间 | 根据应用响应时间要求设置,通常50-200ms |
-XX:G1HeapRegionSize | 自动计算 | Region大小 | 通常不需要手动设置,让G1自动计算 |
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent | 45% | 触发并发标记周期的堆使用率阈值 | 根据应用特点调整,通常30-50% |
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent | 85% | Region存活率阈值,超过此值的Region不会被混合收集 | 通常不需要调整 |
-XX:G1MixedGCCountTarget | 8 | 混合收集的目标次数 | 根据堆大小调整,大堆可以设置更大值 |
-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent | 10% | 单次混合收集中老年代Region的最大比例 | 根据暂停时间要求调整 |
5.2 实际调优案例
案例1:低延迟应用调优
应用场景:在线交易系统,要求响应时间小于100ms
案例2:高吞吐量应用调优
应用场景:批处理系统,主要关注处理速度
5.3 监控和诊断
要有效调优G1,需要了解如何监控和分析垃圾收集的性能。
5.3.1 GC日志配置
5.3.2 GC日志分析
年轻代收集日志示例:
解读:
- G1 Evacuation Pause (young):年轻代收集
- 1024M->128M:收集前堆使用量1024M,收集后128M
- 0.0152340 secs:暂停时间约15毫秒
混合收集日志示例:
解读:
- G1 Evacuation Pause (mixed):混合收集
- 2048M->1024M:收集前堆使用量2048M,收集后1024M
- 0.0451230 secs:暂停时间约45毫秒
6. G1与其他垃圾收集器的对比
6.1 与Serial GC的对比
特性 | Serial GC | G1 GC |
---|---|---|
适用场景 | 单CPU、小内存应用 | 多CPU、大内存应用 |
暂停时间 | 较长,不可预测 | 较短,可预测 |
吞吐量 | 中等 | 高 |
内存效率 | 低 | 高 |
并发性 | 无 | 部分并发 |
6.2 与Parallel GC的对比
特性 | Parallel GC | G1 GC |
---|---|---|
设计目标 | 高吞吐量 | 低延迟 |
暂停时间 | 较长 | 可预测 |
内存布局 | 固定分代 | Region-based |
收集策略 | 整体收集 | 增量收集 |
适用堆大小 | 中小堆 | 大堆 |
6.3 与CMS GC的对比
特性 | CMS GC | G1 GC |
---|---|---|
内存碎片 | 容易产生 | 较少 |
暂停时间预测 | 不可预测 | 可预测 |
并发性 | 高并发 | 部分并发 |
内存布局 | 固定分代 | Region-based |
维护性 | 复杂 | 简单 |
6.4 与ZGC的对比
特性 | G1 GC | ZGC |
---|---|---|
暂停时间 | 可预测,通常<10ms | 极低,通常<1ms |
内存开销 | 较低 | 较高 |
成熟度 | 成熟稳定 | 相对较新 |
适用场景 | 通用 | 超低延迟 |
JDK版本 | JDK 7+ | JDK 11+ |
7. 实际应用场景和案例分析
7.1 适合G1的应用场景
G1特别适合以下类型的应用程序:
1. 大内存应用
特点:堆内存大于4GB的应用
原因:G1的Region设计能够有效管理大堆内存,避免传统分代收集器在大堆上的性能问题。
典型应用:大数据处理、企业级应用服务器、内存数据库等。
2. 需要可预测暂停时间的应用
特点:对响应时间有严格要求的应用
原因:G1可以通过MaxGCPauseMillis参数控制暂停时间,提供可预测的性能。
典型应用:在线交易系统、实时数据处理、游戏服务器等。
3. 多核服务器应用
特点:运行在多核CPU上的应用
原因:G1能够充分利用多核CPU进行并发垃圾收集,提高收集效率。
典型应用:Web应用服务器、API网关、微服务等。
7.2 实际案例分析
案例1:电商网站的性能优化
问题分析:
- 使用默认的Parallel GC,暂停时间不可预测
- 高峰期GC暂停时间达到500ms以上
- 用户体验受到影响
解决方案:
效果:
- GC暂停时间控制在100ms以内
- 页面响应时间更加稳定
- 用户体验显著改善
案例2:大数据处理应用的调优
问题分析:
- 年轻代对象创建频繁,GC压力大
- 老年代对象相对稳定
- 需要平衡吞吐量和延迟
解决方案:
效果:
- 处理速度提升15%
- 内存使用更加高效
- 系统稳定性提高
8. 常见问题和解决方案
8.1 暂停时间过长
可能原因:
- 堆内存过大,Region数量过多
- 老年代Region存活率过高
- 巨型对象过多
- 应用程序创建对象速度过快
解决方案:
- 调整MaxGCPauseMillis为更合理的值
- 减少堆内存大小
- 优化应用程序,减少对象创建
- 避免创建过多巨型对象
8.2 内存碎片问题
可能原因:
- 巨型对象过多
- 老年代Region存活率过高
- 长时间运行导致碎片累积
解决方案:
- 减少巨型对象的创建
- 调整G1MixedGCLiveThresholdPercent
- 定期重启应用以清理碎片
8.3 并发标记失败
可能原因:
- 堆内存过大
- 对象引用关系复杂
- CPU资源不足
解决方案:
- 调整InitiatingHeapOccupancyPercent
- 增加CPU资源
- 优化对象结构,减少引用复杂度
8.4 性能调优建议
以下是一些通用的G1性能调优建议:
1. 合理设置堆大小
堆大小应该根据应用程序的实际需求设置,既不能太小导致频繁GC,也不能太大导致GC效率降低。
2. 监控GC日志
定期分析GC日志,了解垃圾收集的模式和性能特征,及时发现问题并进行调优。
3. 避免常见陷阱
- 不要设置过小的MaxGCPauseMillis
- 不要创建过多巨型对象
- 不要忽略GC日志中的警告信息
- 不要盲目调整参数而不进行测试
9. 总结和最佳实践
G1垃圾收集器是一个成熟、高效的垃圾收集器,特别适合大内存、低延迟的应用场景。通过合理配置和调优,可以显著提升应用程序的性能和用户体验。
9.1 G1的核心优势
9.2 最佳实践总结
1. 选择合适的应用场景
- 堆内存大于4GB的应用
- 需要可预测暂停时间的应用
- 多核服务器环境
2. 合理配置参数
- 根据应用特点设置MaxGCPauseMillis
- 让G1自动计算Region大小
- 根据堆大小调整混合收集参数
3. 持续监控和调优
- 启用详细的GC日志
- 定期分析GC性能
- 根据应用变化调整配置
记住:垃圾收集器的选择没有绝对的对错,关键是要根据应用程序的特点和需求来选择合适的收集器。G1是一个很好的选择,特别是对于现代Java应用程序来说。
G1垃圾收集器学习路径图
学习要点回顾
- ✅ G1是Region-based的分代垃圾收集器
- ✅ 提供可预测的暂停时间控制
- ✅ 通过并发标记和混合收集提高效率
- ✅ 适合大内存、低延迟的应用场景
- ✅ 需要合理配置参数以获得最佳性能
- ✅ 持续监控和调优是成功的关键