G1原理—4.G1垃圾回收的过程之Young GC

大纲

1.G1的YGC过程

2.YGC并行处理阶段的过程

3.YGC串行处理阶段的过程(一)

4.YGC串行处理阶段的过程(二)

5.整个YGC的执行流程总结

1.G1的YGC过程

(1)YGC相关的一些参数

(2)YGC和MixedGC、FGC之间的关系

(3)YGC使用的算法 + 新生代的垃圾回收流程

(1)YGC相关的一些参数

一.-XX:+UseG1GC

设置使用G1垃圾回收器。

二.-XX:G1HeapRegionSize

设置Region分区大小，最小值1M，最大值32M，且只能是2的n次幂。

三.-Xms和-Xmx或者InitialHeapSize和MaxHeapSize

设置堆内存最大值最小值。

四.-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize

设置新生代最小值和最大值。注意，在G1里这个最大值最小值其实是可以不设置的。G1会自动计算出一个值：从5%的Region数量开始，慢慢增加到最大为60%的Region数量。一般不用指定新生代的最大值和最小值，按照默认的5%～60%即可。

五.新生代Region数量

下限-XX:G1NewSizeRercent，默认5%

上限-XX:G1MaxNewSizePercent，默认60%

六.新生代Eden和Survivor的比例：-XX:SurvivorRatio=n

默认为8，即eden : s1 : s2 = 8 : 1 : 1。这个比例和ParNew的原理是一致的，比如总的新生代是100个Region，那么Eden区有80个，两个S区各有10个。

七.-XX:MaxGCPauseMills=n

设置最大GC暂停时间，这是一个大概值，JVM会尽可能的满足此值。例如设置200ms，那么G1就会在每次GC时努力保证GC的停顿时间在这个范围内。

八.-XX:NewRatio=n

新生代与老年代的大小比例，默认值2。只设置一个NewRatio，与只设置一个Xmn是相当的。最好不要设置一个Xmn，或者最好不要单独设置一个NewRatio。因为这样会固定新生代大小，不利于停顿时间预测。

九.-XX:ParallelGCThreads=n

参与回收的线程数量，默认和CPU核数相等。

(2)YGC和Mixed GC、FGC之间的关系

G1中的YGC、Mixed GC以及FGC和ParNew + CMS是有相似之处的。比如，在新生代GC后，会有存活对象进入老年代。如果老年代对象占用达到了某个阈值，就会触发老年代的回收。在ParNew + CMS中，是直接触发FGC，而在G1中是触发Mixed GC。

在G1中首先会进行YGC，YGC会选择所有新生代的分区进行回收。当程序不断运行，存活对象越来越多，老年代的对象越来越多时，就会在某次YGC的时候，触发一个并发标记过程。

然后等待YGC和这次并发标记过程结束后，就会正式进入Mixed GC。Mixed GC会从老年代中选择部分回收价值比较高的Region进行回收，从而满足用户设置的MaxGCPauseMills值，当然Mixed GC也会回收所有新生代分区。当Mixed GC后，对象还是无法分配成功时，就会触发FGC。FGC会暂停程序运行，对整个堆进行全面的垃圾回收。FGC的回收会包括新生代、老年代、大对象等。

YGC、Mixed GC、FGC间的过程转换关系如下：

(3)YGC使用的算法 + 新生代的垃圾回收流程

一.不均匀的分区分布

二.对象在Eden区的分布

三.Eden区占满时触发YGC

四.标记存活对象

五.复制存活对象到Survivor区

六.回收垃圾对象

七.动态调整新生代区域Region数量

八.是否需要开启并发标记

九.新生代的垃圾回收流程结束

YGC使用的算法是复制算法，也就是会把新生代的所有Region按照Eden、Survivor做类型标识。在执行垃圾回收时，首先对存活对象进行标记。然后把存活对象复制到S区，接着就把所有的垃圾对象全部回收掉。注意：G1的Region分布，对于一个分代而言，不一定是连续的。

一.不均匀的分区分布

二.对象在Eden区的分布

三.Eden区占满时触发YGC

四.标记存活对象

首先从GC Roots出发，标记直接引用的对象，然后再一个一个标记GC Roots间接引用的对象。

五.复制存活对象到Survivor区

六.回收垃圾对象

如果是ParNew + CMS的新生代回收，其实到这里就基本上是结束了。

七.动态调整新生代区域Region数量

YGC回收掉的那些Region，是有可能会成为自由分区的。因为YGC回收后会动态判断，如果需要更多的Region就进行增加。如果回收时间太长，发现YGC下一次可能没有那么强的能力，那么G1就会减少几个Region。

八.是否需要开启并发标记

如果老年代的使用率达到了阈值，就开启并发标记。

九.新生代的垃圾回收流程结束

以上就是G1新生代垃圾回收的基本流程。

(4)总结

G1的YGC过程：

一.YGC相关的一些参数

二.YGC和MixedGC、FGC是什么关系

三.YGC使用的算法 + 新生代的垃圾回收流程

1.不均匀的分区分布

2.对象在Eden区的分布

3.Eden区占满时触发YGC

4.标记存活对象

5.复制存活对象到Survivor区

6.回收垃圾对象

7.动态调整新生代区域Region数量

8.是否需要开启并发标记

9.新生代的垃圾回收流程结束

2.YGC并行处理阶段的过程

(1)YGC的并行处理是什么

(2)GC Roots并行标记及RSet并行更新

(3)YGC并行标记阶段不仅会标记还会复制

(4)完成初始标记后的处理——将直接引用的对象的字段入栈

(5)遍历栈中的字段找出存活对象并复制到S区然后清理对象 + 清空栈

YGC有并行处理的过程以及串行处理的过程。

(1)YGC的并行处理是什么

YGC的过程，肯定是要做一些并行化处理的，否则速度就会比较慢。比如，标记对象时就不能一个一个对象去查找标记。所以，会有线程对GC Roots直接引用的对象进行标记。

(2)GC Roots并行标记及RSet并行更新

不仅在对GC Roots引用的对象进行标记时，会使用并行处理的方式。在对RSet进行更新时，也会用并行处理的方式。

G1在进行YGC时：会从RSet和GC Roots出发遍历所有新生代对象，然后标记存活对象。由于RSet的更新不一定会在YGC前就更新完毕，所以在YGC并行处理这个阶段，还要对RSet做并行处理的更新。即把DCQS里还没处理完毕的跨代引用关系变更，更新到RSet里面。

更新RSet完成后，再从RSet出发，去标记被RSet指向的老年代空间里的对象直接引用的新生代对象。

整个标记GC Roots + 更新RSet的过程，是由多个线程一起并行处理的。比如现在有4个GC线程参与垃圾回收，那么就会有两个线程从GC Roots出发去标记对象，有两个线程去消费DCQS然后更新RSet。接着Rset更新完毕后，就把RSet作为GC Roots继续去执行对象标记工作。

(3)YGC并行标记阶段不仅会标记还会复制

在YGC的并行标记阶段，不仅仅会根据GC Roots + RSet来追踪所有直接引用的对象。由于在执行YGC的过程中，复制操作和标记操作是同时进行的。所以在用GC Roots标记直接引用的存活对象时，也会进行复制操作。比如发现4个对象是由GC Roots直接引用的。

此时通过GC Roots找到这4个对象后，就会复制它们到一个Survivor区。

所以YGC里的复制算法，并不是等待全部标记完成，再去复制对象。而是找到一个直接引用的存活对象，就会复制到Survivor里了。

另外，把RSet作为GC Roots的意思是：RSet中映射到卡表对应的卡页中的所有对象都会作为GC Roots。因为卡页本身很小，对象数量也很少，所以可以把RSet都作为GC Roots。然后找到这些GC Roots直接引用的对象，再复制到Survivor区。

(4)完成初始标记后的处理——将直接引用的对象的字段入栈

仅仅处理这些GC Roots直接引用的对象还是不够的，因为还有很多对象会被它们间接引用。间接引用的对象，也需要全部找到并进行标记。

那么在并行处理阶段，GC线程还需要做的另外一件事就是：把刚刚找到的被GC Roots直接引用的哪些对象的字段Field，全部都给放入一个栈里面。

为什么要这么做？因为要把这些对象引用的所有对象都找到才行，找到它们引用的对象才能找到所有存活的对象。所以在把GC Roots + RSet直接引用的对象复制到S区时，就会把它们的所有字段放入一个栈中。

(5)遍历栈中的字段找出存活对象并复制到S区然后清理对象 + 清空栈

等到所有的GC Roots + RSet直接引用的对象都复制完毕后，再逐一对栈中的字段Feild进行遍历，找到所有存活的对象，然后再把找到的存活对象放入Survivor区中。

最后一口气回收掉所有的垃圾对象。

此时栈就会被清空掉了。

至此，YGC的并行操作基本已经结束，基本上YGC其实已经结束了。但是，实际上还会有后续的很多操作。比如以下操作就是在YGC的串行执行过程中需要做的，需要更新RSet、RSet卡表、释放被回收垃圾占用的Region、动态调整新生代分区数量来实现停顿预测模型等。

(6)总结

YGC并行处理阶段的过程：

一.YGC的并行处理是什么

二.GC Roots并行标记及RSet并行更新

三.YGC并行标记阶段不仅会标记还会复制

四.完成初始标记后的处理——将直接引用的对象的字段入栈

YGC的并行处理阶段具体会做的事情：

一.并行更新RSet

二.将更新完RSet加入GC Roots进行并行标记

三.并行复制直接引用的存活对象进入S区

四.将直接引用的存活对象的所有字段入栈

五.遍历栈的所有字段寻找所有存活对象

六.复制所有存活对象进入S区

七.清空全部垃圾对象

八.清空栈里的所有字段

3.YGC串行处理阶段的过程(一)

(1)YGC中的串行处理是什么

(2)YGC中的串行处理操作有哪些

一.软引用、弱引用、虚引用的处理

二.整理卡表

三.Redirty操作——清理旧RSet建立新RSet

四.释放分区

(1)YGC中的串行处理是什么

所谓串行处理，就是要一步步操作，否则就可能会出现错乱的一些操作。JVM会对垃圾回收中的一些操作使用串行化的处理方式。可能因为这些操作会有前后影响、或消耗的时间很少，所以才用串行化。当然不排除JVM后面可能会把这些操作优化成并行化的处理方式。

其中G1中的GC Roots追踪、RSet更新，这两个操作是可以并行进行的，因为这两个操作基本上不会出现互相影响的情况。但是YGC的其他一些操作，是有可能会出现先后影响的。

(2)YGC中的串行处理操作有哪些

一.软引用、弱引用、虚引用的处理

该操作是把这些引用中使用的存活对象也复制到新分区，否则就会出错。YGC中的并发处理阶段针对的是强引用对象。

软引用的回收时机：在第一次FGC时，是不回收软引用的。只有在第二次Full GC时，才会回收软引用。

在YGC执行串行处理操作时：就会把新生代里被这类引用给引用到的对象复制到Survivor区中。

二.整理卡表

卡表是一个全局卡表。在新生代在回收后，有些对象已被回收清除了，有些对象已经换了位置。这时就要把卡表中这些对象的描述数据也给清除掉和更新掉。

因为卡表中是一个字节描述512字节的内存空间。如果某内存空间被清除了，那么卡表的描述数据也需清空，否则会出错。

所以整理卡表的操作就是把已清理过的Region对应的卡表进行清空，同时把对象复制后所在的Region对应的卡表也进行修改，从而保证卡表中的描述数据是正确的。整理卡表的这个过程是很快的。

三.Redirty操作——清理旧RSet建立新RSet

这一步的主要操作，其实就是重构一下Rset。在做完垃圾回收后，新生代对象因为复制，其地址已经发生变化了。那么老年代引用的新生代对象所在Region的RSet此时还没有修改，因此需要把这个旧的RSet进行清理，然后建立一个新生代对象所在的新Region的RSet。重构RSet的过程也是很快的。

四.释放分区

新生代GC，需要把所有的非Survivor区的新生代Region都给清理掉。此时它们还被标记为Eden，或者Survivor(原本就可能有一些垃圾对象)。清理后，需要把这些Region分区给释放掉，否则需要分区时可能不够用。释放分区就是清空这些分区的标记，然后把清空后的分区加入到自由分区列表。

(3)总结

YGC串行处理阶段的过程：

一.YGC中的串行处理是什么

二.YGC中的串行处理操作有哪些

1.软引用、弱引用、虚引用的处理

2.整理卡表

3.Redirty操作——清理旧RSet建立新RSet

4.释放分区

(4)问题

如果我们是G1的开发者，在上面的流程结束之后还需要做什么？G1本身的设计思路就是，要垃圾回收优先，要满足系统的停顿时间。那么在GC之后最重要的事情是什么呢？

一.停顿预测模型和Region数量分配有关；

二.RSet处理时是比较耗时的，GC开启时Refine线程就会暂停，由GC线程来继续执行后续的操作。那么对于这个RSet、DCQ、DCQS的处理，是否需要调整？

三.是否需要扩展内存？

4.YGC串行处理阶段的过程(二)

(1)尝试对大对象进行回收(性价比很高)

(2)尝试扩展内存

(3)调整新生代分区的数目及Refine线程阈值

(4)尝试启动并发标记

(1)尝试对大对象进行回收(性价比很高)

一.为什么要对大对象尝试进行回收操作

原因一：大对象本身占用很多空间的，最少也会占1/2的Region

假如大对象能够回收，就顺带把它回收掉，这样就能腾出一块非常可观的空间出来了。

原因二：大对象回收起来不麻烦

因为大对象创建时是单独存储在一个分区(多个分区)的，属于单独存储。

二.如何判断大对象是否存活

由于每个Region都维护了一个RSet，并且RSet里存储的是引用关系信息。那么在YGC的串行处理阶段查看大对象所在Region的RSet，就能知道是否有其他对象在引用了。

注意大对象所在的Region的RSet不会有很多内容，最多就是两个对象被引用的关系。

所以如果大对象没有横跨多个分区，则只需判断一下大对象所在的Region的RSet里是否有内容，就可以判断大对象是否存活了。

如果大对象横跨多个分区，那么直接判断大对象所在的第一个Region的RSet里是否有内容，就可以知道大对象是否被引用了。

通过简单的判断就可能回收大量的空间，性价比非常高。所以要在YGC的串行处理阶段尝试一下对大对象进行回收。

(2)尝试扩展内存

前面介绍新生代内存时，介绍过可能会对新生代内存进行扩展，在YGC的串行处理阶段尝试扩展内存就是扩展新生代内存的时机之一。

完成YGC后会统计一下执行这次YGC的花费时间，而且还会统计一下在执行YGC前的系统运行总时间。于是就可以判断，这次YGC执行时间和系统运行总时间的比例是否合理。如果不合理，就要考虑扩展一下新生代内存，如果合理就没必要扩展了。

对应的参数是：GCTimeRatio和G1ExpandByPercentOfAvailable。其中GCTimeRatio是指：程序运行时间与YGC时间的比例。如果YGC时间占程序运行时间比例超过10%，就说明要扩展新生代内存。

为什么YGC时间占程序运行时间的比例超过10%就要扩展新生代内存？因为YGC时间占比超过10%，就说明要么YGC频繁、要么YGC时间太长。如果新生代空间足够大，加上G1会自己动态调整新生代分区的数量，那么就是YGC太频繁导致YGC的时间占程序运行时间比例超过10%。

YGC过于频繁，必然会导致判断出大量对象存活，相当于变相拖慢YGC。YGC中真正耗时的不是清理大量垃圾对象的过程，而是进行标记的过程。YGC中存活对象越多，进行标记的过程就越长。YGC越频繁 -> 说明新生代很快满了 -> 说明新生代需要扩展内存

如果YGC时间占程序运行时间的比例没有超过10%，则暂时不需要扩展，扩展的内存大小和G1ExpandByPercentOfAvailable有关。

(3)调整新生代分区的数目及Refine线程阈值

一.调整新生代分区数目

这个是YGC串行处理阶段的一个重点，因为对于G1来说，控制停顿时间是非常重要的。

要想控制好停顿时间：只能在系统运行时间和YGC过程中各个步骤的耗时上进行综合考量。综合考量后还要进行动态调整，这样才能保证停顿时间是可以被满足的。

那么在YGC后，首先就需要判断一下：现在的YGC耗时、YGC能力能否让下一次GC满足预期停顿时间。如果不能的话，那么就需要把新生代分区减少一些，不然就满足不了了。如果远远没达到停顿预测时间的阈值，那么就可以增加一些新生代分区。

所以这一步，就会根据当前YGC的执行时间和目标停顿时间，进行预测。看下一次YGC最多能回收多少分区，然后和当前新生代的总分区数对比。如果下次最多能回收的分区和当前新生代总分区数差不多，则无需调整。如果发现预测出来下一次YGC能回收1000个分区，而现在才600个分区。那么就可以多增加几个分区到新生代里，避免浪费堆内存。

二.调整RefinementZone的阈值

关于DCQS、DCQ和Refine线程的处理：如果DCQ比较多，则需要启动多个Refine线程去进行处理。而且在YGC开始时，这些Refine线程就会暂停，并且由YGC线程接管其工作来处理后续的DCQ。

如果YGC线程处理DCQ的时间过多，那么代表了什么？代表Refine线程的数量，或者DCQS的四个区域设置得不合理。如果设置合理，Refine线程在对应的区域中，就可满足DCQ消息的处理。此时YGC线程最多就是进行少部分的收尾工作，但现在YGC线程还需要大量的时间去处理DCQ消息，那么就说明：要么这几个DCQS的阈值设置得过大了、要么Refine线程太少了。

Refine线程理论上是不能在GC过程中动态调整上限的，所以我们只能调整DCQS的白绿黄红几个阈值的大小，通过白绿黄红来匹配Refine线程的处理能力。

比如把DCQS的各个阈值给降下来，然后把总长度也降下来。让系统线程也帮忙处理DCQ，这样就可以让GC线程的压力小一点。所以如果YGC处理DCQ时间过长，会导致DCQS的长度和阈值动态减小。

(4)尝试启动并发标记

这个过程也是一个尝试的过程。因为新生代的回收是一直在进行的，老年代的对象也是一直在累积的。

如果老年代对象累积到一定程度，那么此时就需要回收一部分老年代的垃圾对象，否则内存使用率就会太高。所以，在老年代达到45%的内存使用率时，一次YGC结束后就会开启一个并发标记过程。

如下图示：老年代占用内存达到阈值的判断，就是判断是否要进入MGC + YGC过程。如果成功启动了并发标记，就意味着接下来要进入Mixed GC了。

5.整个YGC的执行流程总结

YGC算法的流转过程：