直通BAT必考题系列：深入剖析JVM之G1收集器、及回收流程、与推荐用例
金三銀四馬上到了，即將進入面試的高峰期。在BAT面試中，JVM基本都是必考的系列。你至少需要掌握JVM內存模型與JVM參數詳細配置，JVM的4種垃圾回收算法、垃圾回收機制與總結，以及今天重點談到的JVM垃圾回收算法的實現：JVM垃圾收集器。
我先從JVM收集器的發展過程談起，然后再聚焦在G1收集器，從G1的內存模型，再到G1的回收流程，最后再談談G1的實際應用場景。
JVM垃圾收集器發展歷程
JVM垃圾收集器發展歷程
第一階段，Serial（串行）收集器
在jdk1.3.1之前，java虛擬機僅僅能使用Serial收集器。 Serial收集器是一個單線程的收集器，但它的“單線程”的意義并不僅僅是說明它只會使用一個CPU或一條收集線程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它進行垃圾收集時，必須暫停其他所有的工作線程，直到它收集結束。
第二階段，Parallel（并行）收集器
Parallel收集器也稱吞吐量收集器，相比Serial收集器，Parallel最主要的優勢在于使用多線程去完成垃圾清理工作，這樣可以充分利用多核的特性，大幅降低gc時間。
第三階段，CMS（并發）收集器
CMS收集器在Minor GC時會暫停所有的應用線程，并以多線程的方式進行垃圾回收。在Full GC時不再暫停應用線程，而是使用若干個后臺線程定期的對老年代空間進行掃描，及時回收其中不再使用的對象。
第四階段，G1（并發）收集器
G1收集器（或者垃圾優先收集器）的設計初衷是為了盡量縮短處理超大堆（大于4GB）時產生的停頓。相對于CMS的優勢而言是內存碎片的產生率大大降低。
JVM垃圾收集器種類
JVM垃圾收集器
1.新生代
- Serial （第一代）
- PraNew （第二代）
- Parallel Scavenge （第三代）
- G1收集器（第四代）
2.老年代
- Serial Old （第一代）
- Parallel Old （第二代）
- CMS （第三代）
- G1收集器 （第四代）
詳細的垃圾收集器比較，具體可以查看：直通BAT必考題系列：7種JVM垃圾收集器特點，優劣勢、及使用場景
JDK1.7后全新的JVM垃圾收集器G1收集器, 目標用于取代CMS收集器。
G1收集器概述
從JDK（1.3）開始，HotSpot團隊一直努力朝著高效收集、減少停頓（STW: Stop The World）的方向努力，也貢獻了從串行Serial收集器、到并行收集器Parallerl收集器，再到CMS并發收集器，乃至如今的G1在內的一系列優秀的垃圾收集器。
G1（Garbage First）垃圾收集器是當今垃圾回收技術最前沿的成果之一。早在JDK7就已加入JVM的收集器大家庭中，成為HotSpot重點發展的垃圾回收技術。同優秀的CMS垃圾回收器一樣，G1也是關注最小時延的垃圾回收器，也同樣適合大尺寸堆內存的垃圾收集，官方也推薦使用G1來代替選擇CMS。
1.G1收集器的最大特點
- G1最大的特點是引入分區的思路，弱化了分代的概念。
- 合理利用垃圾收集各個周期的資源，解決了其他收集器甚至CMS的眾多缺陷。
2.G1相比較CMS的改進
- 算法： G1基于標記-整理算法, 不會產生空間碎片，分配大對象時不會無法得到連續的空間而提前觸發一次FULL GC。
- 停頓時間可控： G1可以通過設置預期停頓時間（Pause Time）來控制垃圾收集時間避免應用雪崩現象。
- 并行與并發：G1能更充分的利用CPU，多核環境下的硬件優勢來縮短stop the world的停頓時間。
3.CMS和G1的區別
- CMS中，堆被分為PermGen，YoungGen，OldGen；而YoungGen又分了兩個survivo區域。在G1中，堆被平均分成幾個區域（region），在每個區域中，雖然也保留了新老代的概念，但是收集器是以整個區域為單位收集的。
- G1在回收內存后會馬上同時做合并空閑內存的工作、而CMS默認是在STW（stop the world）的時候做。
- G1會在Young GC中使用、而CMS只能在O區使用。
4.G1收集器的應用場景
G1垃圾收集算法主要應用在多CPU大內存的服務中，在滿足高吞吐量的同時，盡可能的滿足垃圾回收時的暫停時間。
就目前而言、CMS還是默認首選的GC策略、可能在以下場景下G1更適合：
- 服務端多核CPU、JVM內存占用較大的應用（至少大于4G）
- 應用在運行過程中會產生大量內存碎片、需要經常壓縮空間
- 想要更可控、可預期的GC停頓周期，防止高并發下應用雪崩現象
G1的堆內存算法
1.G1之前的JVM內存模型
- 新生代：伊甸園區（eden space） + 2個幸存區
- 老年代
- 持久代（perm space）：JDK1.8之前
- 元空間（metaspace）：JDK1.8之后取代持久代
2.G1收集器的內存模型
1）G1堆內存結構
堆內存會被切分成為很多個固定大小區域（Region），每個是連續范圍的虛擬內存。
堆內存中一個區域（Region）的大小可以通過-XX:G1HeapRegionSize參數指定，大小區間最小1M、最大32M，總之是2的冪次方。
默認把堆內存按照2048份均分。
2）G1堆內存分配
每個Region被標記了E、S、O和H，這些區域在邏輯上被映射為Eden，Survivor和老年代。
存活的對象從一個區域轉移（即復制或移動）到另一個區域。區域被設計為并行收集垃圾，可能會暫停所有應用線程。
如上圖所示，區域可以分配到Eden，survivor和老年代。此外，還有第四種類型，被稱為巨型區域（Humongous Region）。Humongous區域是為了那些存儲超過50%標準region大小的對象而設計的，它用來專門存放巨型對象。如果一個H區裝不下一個巨型對象，那么G1會尋找連續的H分區來存儲。為了能找到連續的H區，有時候不得不啟動Full GC。
G1回收流程
在執行垃圾收集時，G1以類似于CMS收集器的方式運行。
1.G1收集器的階段分以下幾個步驟：
1）G1執行的第一階段：初始標記（Initial Marking ）
這個階段是STW（Stop the World ）的，所有應用線程會被暫停，標記出從GC Root開始直接可達的對象。
2）G1執行的第二階段：并發標記
從GC Roots開始對堆中對象進行可達性分析，找出存活對象，耗時較長。當并發標記完成后，開始最終標記（Final Marking ）階段
3）最終標記（標記那些在并發標記階段發生變化的對象，將被回收）
4）篩選回收（首先對各個Regin的回收價值和成本進行排序，根據用戶所期待的GC停頓時間指定回收計劃，回收一部分Region）
最后，G1中提供了兩種模式垃圾回收模式，Young GC和Mixed GC，兩種都是Stop The World（STW）的。
G1的GC模式
1.YoungGC年輕代收集
在分配一般對象（非巨型對象）時，當所有eden region使用達到最大閥值并且無法申請足夠內存時，會觸發一次YoungGC。每次younggc會回收所有Eden以及Survivor區，并且將存活對象復制到Old區以及另一部分的Survivor區。
YoungGC的回收過程如下：
- 根掃描,跟CMS類似，Stop the world，掃描GC Roots對象。
- 處理Dirty card,更新RSet.
- 掃描RSet,掃描RSet中所有old區對掃描到的young區或者survivor去的引用。
- 拷貝掃描出的存活的對象到survivor2/old區
- 處理引用隊列，軟引用，弱引用，虛引用
2.mixed gc
當越來越多的對象晉升到老年代old region時，為了避免堆內存被耗盡，虛擬機會觸發一個混合的垃圾收集器，即mixed gc，該算法并不是一個old gc，除了回收整個young region，還會回收一部分的old region，這里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代，可以選擇哪些old region進行收集，從而可以對垃圾回收的耗時時間進行控制。
G1沒有fullGC概念，需要fullGC時，調用serialOldGC進行全堆掃描（包括eden、survivor、o、perm）。
G1的推薦用例
G1的第一個重要特點是為用戶的應用程序的提供一個低GC延時和大內存GC的解決方案。這意味著堆大小6GB或更大，穩定和可預測的暫停時間將低于0.5秒。
如果應用程序使用CMS或ParallelOld垃圾回收器具有一個或多個以下特征，將有利于切換到G1：
- Full GC持續時間太長或太頻繁
- 對象分配率或年輕代升級老年代很頻繁
- 不期望的很長的垃圾收集時間或壓縮暫停（超過0.5至1秒）
注意：如果你正在使用CMS或ParallelOld收集器，并且你的應用程序沒有遇到長時間的垃圾收集暫停，則保持與您的當前收集器是很好的，升級JDK并不必要更新收集器為G1。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的直通BAT必考题系列：深入剖析JVM之G1收集器、及回收流程、与推荐用例的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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