大家好，我是【運(yùn)維開(kāi)發(fā)故事公眾號(hào)】的 Java 程序員老鄭。JVM 是我們從事 Java 項(xiàng)目和開(kāi)發(fā)都需要具備的非常底層的基礎(chǔ)知識(shí)。

十載的貴州網(wǎng)站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)設(shè)計(jì)、前端、開(kāi)發(fā)、售后、文案、推廣等六對(duì)一服務(wù)，響應(yīng)快，48小時(shí)及時(shí)工作處理。營(yíng)銷型網(wǎng)站建設(shè)的優(yōu)勢(shì)是能夠根據(jù)用戶設(shè)備顯示端的尺寸不同，自動(dòng)調(diào)整貴州建站的顯示方式，使網(wǎng)站能夠適用不同顯示終端，在瀏覽器中調(diào)整網(wǎng)站的寬度，無(wú)論在任何一種瀏覽器上瀏覽網(wǎng)站，都能展現(xiàn)優(yōu)雅布局與設(shè)計(jì)，從而大程度地提升瀏覽體驗(yàn)。成都創(chuàng)新互聯(lián)從事“貴州網(wǎng)站設(shè)計(jì)”,“貴州網(wǎng)站推廣”以來(lái)，每個(gè)客戶項(xiàng)目都認(rèn)真落實(shí)執(zhí)行。

首先我先拋出以下幾個(gè)問(wèn)題：

• 很多服務(wù)需要過(guò)一段時(shí)間重啟一次，如果不重啟系統(tǒng)就會(huì)越來(lái)越慢？
• 突然一個(gè)中間件掛了一段時(shí)間過(guò)后，但是一些不相關(guān)的服務(wù)越來(lái)越卡，后面 OOM？
• 上線一個(gè)功能過(guò)后，CPU 就飆升到 100%，但是服務(wù)還是正常運(yùn)行？
• 服務(wù)的某一個(gè) CPU 出現(xiàn)有規(guī)律的，周期性的尖刺該如何解決？

作為 5 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，或多或少在系統(tǒng)維護(hù)，系統(tǒng)保障，系統(tǒng)調(diào)優(yōu)遇到過(guò)上面的這幾個(gè)場(chǎng)景，你可能是通過(guò)重啟，調(diào)整一些 jvm 參數(shù)解決，如果大家需要深入的探究找到問(wèn)題的原因，可以耐心看看下文我對(duì) G1 的一些總結(jié)。

本文講哪些東西？

• 堆布局（以 Region 為基礎(chǔ)劃分：新生代（Eden 區(qū)、Survivor 區(qū)）、年老代、Humongous 區(qū)域）
• 垃圾收集周期
• GC 運(yùn)作過(guò)程：初始標(biāo)記、并發(fā)標(biāo)記、最終標(biāo)記、篩選回收
• GC 類型：Minor GC、Full GC 、Mixed GC
• CSet (年輕代需要收集的 Region 集合就是 CSet)
• 跨代引用
• 停頓預(yù)測(cè)模型
• GC 日志分析

G1 內(nèi)存堆布局

G1 的英文全稱是 Garbagge First，是一個(gè)有分代，按照 Region 的方式進(jìn)行內(nèi)存布局的垃圾收集器。

上圖，我將一些 Region 標(biāo)明了 H，它代表Humongous，這表示這些 Region 存儲(chǔ)的是巨大對(duì)象（humongous object，H-obj），即大小大于等于 region 一半的對(duì)象。H-obj 有如下幾個(gè)特征：

• H-obj 直接分配到了old gen，防止了反復(fù)拷貝移動(dòng)。
• H-obj 在 global concurrent marking 階段的 cleanup 和 full GC階段回收。
• 在分配 H-obj 之前先檢查是否超過(guò) initiating heap occupancy percent 和 the marking threshold, 如果超過(guò)的話，就啟動(dòng) global concurrent marking，為的是提早回收，防止 evacuation failures 和 full GC。

GC 類型

1. Young GC，垃圾收集范圍：年輕代區(qū)域 + 大對(duì)象區(qū)。
2. Mixed GC，垃圾收集范圍：年輕代區(qū)域 + 老年區(qū) + 大對(duì)象區(qū)。
3. Full GC，垃圾收集范圍：年輕代區(qū)域 + 老年區(qū) + 大對(duì)象區(qū) + 元空間。

Collection Set (收集區(qū)域)

Collection Set 就是我們垃圾收集器的一個(gè)區(qū)域，在不同的垃圾回收階段，會(huì)有不同的區(qū)域。

• Young GC, 垃圾收集區(qū)域包括：年輕代區(qū)域 + 大對(duì)象區(qū)。
• Mixed GC, 垃圾收集區(qū)域包括：年輕代區(qū)域 + 老年區(qū) + 大對(duì)象區(qū)。

跨代引用

Young GC 主要是清理，新生代中的對(duì)象，我們知道整個(gè)堆空間包括老年代，新生代，我們?cè)?Young GC 過(guò)程中會(huì)去找 GCRoots 然后判斷對(duì)象是是否可達(dá)， 如果不可達(dá)，如果可達(dá)就標(biāo)記。如果對(duì)于老年代中引用新生代的對(duì)象，我們?nèi)绻页鰜?lái)就就需要對(duì)老年代進(jìn)行全掃描，這樣是不太現(xiàn)實(shí)的。所以 G1 通過(guò)記憶集的形式記錄了老年代對(duì)新生代的引用。具體在 G1 中通過(guò) CarTable 來(lái)實(shí)現(xiàn)記憶集。

RSet（記憶集）

記錄了其它 Region 中的對(duì)象到 Region 的引用。RSet 的價(jià)值在于使得垃圾回收不需要掃描整個(gè)堆，能夠快速定位到真正引用它的堆對(duì)象地址。ReSet 本身就是一個(gè) Hash 表，存儲(chǔ)在新生代的每個(gè) Region 中。但是存儲(chǔ)需要消耗空間，多的能達(dá)到百分之 20。因此G1對(duì)內(nèi)存的空間要求較高(小空間沒(méi)資本玩)，空間越大性能越彪悍。

CardTable (卡表)

由于新生代GC時(shí)，需要掃描整個(gè)old區(qū)，效率非常低。所以old區(qū)就是用卡表的方式進(jìn)行一次邏輯分區(qū)。一般一頁(yè)卡表的大小是2的n次冪。每一個(gè)區(qū)域也是用Key，Value結(jié)構(gòu)進(jìn)行記錄。每一區(qū)域記錄為Key不重復(fù)，Value則記錄這片區(qū)域的老年代對(duì)象與新生代對(duì)象是否存在引用關(guān)系，存在則標(biāo)記為1，否則為0。記錄完畢后把value為1的key作為ReSet的key進(jìn)行記錄，并且ReSet的value存儲(chǔ)引用，從而提高跨代引用的查詢效率。

停頓預(yù)測(cè)模型

所有的預(yù)測(cè)都是基于歷史的擬合，HotSpot使用了基于方差與標(biāo)準(zhǔn)差的技術(shù)。參考：https://sdww2348115.github.io/jvm/g1/PausePredictionModel。

G1 垃圾收集周期

圖片來(lái)源 Oracle 官網(wǎng)

G1 有兩個(gè)階段，它會(huì)在這兩個(gè)階段往返，分別是 Young-only，Space Reclamation.

• Young-only 包含一系列的操作，如果長(zhǎng)期存活的對(duì)象會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到 Old gen。
• Space Reclamation G1 會(huì)遞進(jìn)地回收 Old gen 的空間，同時(shí)也處理 Young region。

圖是來(lái)自 Oracle 上對(duì) GC 周期的描述，實(shí)心圓都表示一次 GC 停頓

• 藍(lán)色 Young-only。
• 黃色 標(biāo)記過(guò)程的停頓。
• 紅色 Mixed GC 停頓。

在幾次 GC 后，Old gen 的對(duì)象占有比超過(guò)了 InitiatingHeapOccupancyPercent （簡(jiǎn)稱為IHOP，默認(rèn)值為45，這個(gè)值是啟動(dòng)并發(fā)標(biāo)記的閾值，當(dāng)老年代使用內(nèi)存占用堆內(nèi)存的45%啟動(dòng)并發(fā)標(biāo)記。如果該區(qū)域過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致mixed gc跟不上內(nèi)存分配的速度從而導(dǎo)致full gc ），gc 就會(huì)進(jìn)入并發(fā)標(biāo)記準(zhǔn)備 (Concurrent Mark)。

• G1 在每一次 Young 回收中都會(huì)查找活對(duì)象 (有引用的對(duì)象)。
• G1 在 old region 并發(fā)查找存活對(duì)象。

• 是 Concurrent Marking。
• 可能花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。
• 不會(huì)停止 Java 應(yīng)用。

• G1 沒(méi)有活對(duì)象的引用信息是不能進(jìn)行垃圾回收的。

• Mixed GC 依賴 Concurrent Mark。

回到 Full GC，從上面簡(jiǎn)單分析得出，F(xiàn)ull GC 發(fā)生是沒(méi)有足夠的 free region，如果堆是足夠大的，Mixed gc 沒(méi)有回收足夠的 old region，或者 concurrent mark 沒(méi)法及時(shí)完成，都可能會(huì)導(dǎo)致 full gc。

GC 日志分析

下面是網(wǎng)上找的一個(gè) GC 日志案例，解析如下（配合 G1 垃圾收集周期結(jié)合來(lái)看）：

[gc,start      ] GC(44265) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)
[gc,task       ] GC(44265) Using 13 workers of 13 for evacuation
[gc,phases     ] GC(44265)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms
[gc,phases     ] GC(44265)   Evacuate Collection Set: 101.8ms
[gc,phases     ] GC(44265)   Post Evacuate Collection Set: 3.2ms
[gc,phases     ] GC(44265)   Other: 2.7ms
[gc,heap       ] GC(44265) Eden regions: 1850->0(1851)
[gc,heap       ] GC(44265) Survivor regions: 70->69(240)
[gc,heap       ] GC(44265) Old regions: 766->768
[gc,heap       ] GC(44265) Humongous regions: 20->19
[gc,metaspace  ] GC(44265) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)
[gc            ] GC(44265) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 21642M->6843M(25600M) 107.561ms
[gc,cpu        ] GC(44265) User=1.31s Sys=0.00s Real=0.11s

[gc,start      ] GC(44266) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)
[gc,task       ] GC(44266) Using 13 workers of 13 for evacuation
[gc,phases     ] GC(44266)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms
[gc,phases     ] GC(44266)   Evacuate Collection Set: 99.8ms
[gc,phases     ] GC(44266)   Post Evacuate Collection Set: 3.3ms
[gc,phases     ] GC(44266)   Other: 2.7ms
[gc,heap       ] GC(44266) Eden regions: 1851->0(1854)
[gc,heap       ] GC(44266) Survivor regions: 69->66(240)
[gc,heap       ] GC(44266) Old regions: 768->772
[gc,heap       ] GC(44266) Humongous regions: 20->19
[gc,metaspace  ] GC(44266) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)
[gc            ] GC(44266) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 21659M->6848M(25600M) 105.713ms
[gc,cpu        ] GC(44266) User=1.29s Sys=0.01s Real=0.10s

[gc,start      ] GC(44267) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)
[gc,task       ] GC(44267) Using 13 workers of 13 for evacuation
[gc,phases     ] GC(44267)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms  //初始標(biāo)記，查找 gc root 
[gc,phases     ] GC(44267)   Evacuate Collection Set: 89.8ms     //并發(fā)標(biāo)記
[gc,phases     ] GC(44267)   Post Evacuate Collection Set: 3.5ms //清理工作
[gc,phases     ] GC(44267)   Other: 2.7ms
[gc,heap       ] GC(44267) Eden regions: 1854->0(1856)
[gc,heap       ] GC(44267) Survivor regions: 66->64(240)
[gc,heap       ] GC(44267) Old regions: 772->775
[gc,heap       ] GC(44267) Humongous regions: 20->19
[gc,metaspace  ] GC(44267) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)
[gc            ] GC(44267) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 21688M->6859M(25600M) 95.891ms
[gc,cpu        ] GC(44267) User=1.16s Sys=0.00s Real=0.10s

[gc,start      ] GC(44268) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause)                 // Young GC
[gc,task       ] GC(44268) Using 13 workers of 13 for evacuation
[gc,phases     ] GC(44268)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms
[gc,phases     ] GC(44268)   Evacuate Collection Set: 100.5ms
[gc,phases     ] GC(44268)   Post Evacuate Collection Set: 3.8ms
[gc,phases     ] GC(44268)   Other: 2.8ms
[gc,heap       ] GC(44268) Eden regions: 1856->0(1855)
[gc,heap       ] GC(44268) Survivor regions: 64->65(240)
[gc,heap       ] GC(44268) Old regions: 775->777
[gc,heap       ] GC(44268) Humongous regions: 20->19
[gc,metaspace  ] GC(44268) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)
[gc            ] GC(44268) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 21715M->6876M(25600M) 107.037ms
[gc,cpu        ] GC(44268) User=1.30s Sys=0.00s Real=0.11s

[gc,start      ] GC(44269) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation)  // 并發(fā)階段
[gc,task       ] GC(44269) Using 13 workers of 13 for evacuation
[gc,phases     ] GC(44269)   Pre Evacuate Collection Set: 0.6ms
[gc,phases     ] GC(44269)   Evacuate Collection Set: 90.9ms
[gc,phases     ] GC(44269)   Post Evacuate Collection Set: 3.2ms
[gc,phases     ] GC(44269)   Other: 2.9ms
[gc,heap       ] GC(44269) Eden regions: 1519->0(1855)
[gc,heap       ] GC(44269) Survivor regions: 65->65(240)
[gc,heap       ] GC(44269) Old regions: 777->777
[gc,heap       ] GC(44269) Humongous regions: 19->19
[gc,metaspace  ] GC(44269) Metaspace: 193280K->193280K(1230848K)
[gc            ] GC(44269) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation) 19024M->6883M(25600M) 97.391ms
[gc,cpu        ] GC(44269) User=1.16s Sys=0.01s Real=0.10s

[gc            ] GC(44270) Concurrent Cycle                                          // 完成 clearup
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Clear Claimed Marks
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Clear Claimed Marks 0.562ms
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Scan Root Regions
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Scan Root Regions 719.931ms
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Mark (280799.914s)
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Mark From Roots
[gc,task       ] GC(44270) Using 3 workers of 3 for marking
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Mark From Roots 2268.905ms
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Preclean
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Preclean 3.078ms
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Mark (280799.914s, 280802.186s) 2272.068ms
[gc,start      ] GC(44270) Pause Remark
[gc,stringtable] GC(44270) Cleaned string and symbol table, strings: 87967 processed, 92 removed, symbols: 442773 processed, 13 removed
[gc            ] GC(44270) Pause Remark 13740M->13740M(25600M) 32.599ms
[gc,cpu        ] GC(44270) User=0.29s Sys=0.00s Real=0.04s
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Rebuild Remembered Sets            //重構(gòu)記憶集
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Rebuild Remembered Sets 1906.792ms
[gc,start      ] GC(44270) Pause Cleanup
[gc            ] GC(44270) Pause Cleanup 18019M->18019M(25600M) 0.782ms
[gc,cpu        ] GC(44270) User=0.00s Sys=0.01s Real=0.00s
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Cleanup for Next Mark
[gc,marking    ] GC(44270) Concurrent Cleanup for Next Mark 25.530ms
[gc            ] GC(44270) Concurrent Cycle 4963.833ms

[gc,start      ] GC(44271) Pause Young (Prepare Mixed) (G1 Evacuation Pause)  // Space Reclamation 階段了，多個(gè) Mixed GC 會(huì)進(jìn)行
[gc,task       ] GC(44271) Using 13 workers of 13 for evacuation
[gc,phases     ] GC(44271)   Pre Evacuate Collection Set: 0.1ms
[gc,phases     ] GC(44271)   Evacuate Collection Set: 102.6ms
[gc,phases     ] GC(44271)   Post Evacuate Collection Set: 3.7ms
[gc,phases     ] GC(44271)   Other: 3.9ms
[gc,heap       ] GC(44271) Eden regions: 1855->0(98)
[gc,heap       ] GC(44271) Survivor regions: 65->62(240)
[gc,heap       ] GC(44271) Old regions: 777->778
[gc,heap       ] GC(44271) Humongous regions: 21->19
[gc,metaspace  ] GC(44271) Metaspace: 193271K->193271K(1230848K)
[gc            ] GC(44271) Pause Young (Prepare Mixed) (G1 Evacuation Pause) 21739M->6869M(25600M) 110.034ms
[gc,cpu        ] GC(44271) User=1.32s Sys=0.01s Real=0.10s

[gc,start      ] GC(44272) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause)
[gc,task       ] GC(44272) Using 13 workers of 13 for evacuation
[gc,phases     ] GC(44272)   Pre Evacuate Collection Set: 0.4ms
[gc,phases     ] GC(44272)   Evacuate Collection Set: 150.8ms
[gc,phases     ] GC(44272)   Post Evacuate Collection Set: 3.2ms
[gc,phases     ] GC(44272)   Other: 2.3ms
[gc,heap       ] GC(44272) Eden regions: 98->0(149)
[gc,heap       ] GC(44272) Survivor regions: 62->11(20)
[gc,heap       ] GC(44272) Old regions: 778->547
[gc,heap       ] GC(44272) Humongous regions: 19->19
[gc,metaspace  ] GC(44272) Metaspace: 193271K->193271K(1230848K)
[gc            ] GC(44272) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause) 7653M->4605M(25600M) 156.486ms
[gc,cpu        ] GC(44272) User=1.95s Sys=0.01s Real=0.15s
[gc,start      ] GC(44273) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause)
[gc,task       ] GC(44273) Using 13 workers of 13 for evacuation
[gc,phases     ] GC(44273)   Pre Evacuate Collection Set: 0.2ms
[gc,phases     ] GC(44273)   Evacuate Collection Set: 122.9ms
[gc,phases     ] GC(44273)   Post Evacuate Collection Set: 2.0ms
[gc,phases     ] GC(44273)   Other: 3.1ms
[gc,heap       ] GC(44273) Eden regions: 149->0(1900)
[gc,heap       ] GC(44273) Survivor regions: 11->20(20)
[gc,heap       ] GC(44273) Old regions: 547->520
[gc,heap       ] GC(44273) Humongous regions: 19->19
[gc,metaspace  ] GC(44273) Metaspace: 193271K->193271K(1230848K)
[gc            ] GC(44273) Pause Young (Mixed) (G1 Evacuation Pause) 5797M->4468M(25600M) 128.036ms
[gc,cpu        ] GC(44273) User=1.57s Sys=0.01s Real=0.12s

上面是連續(xù)幾次 GC 的日志，可以對(duì)照著 GC 周期來(lái)看。

• GC (44265) 是一次普通的 Young GC里面信息有各種 Region 的變化。

這里簡(jiǎn)單說(shuō)一下 humongous 對(duì)象的處理，humongous 對(duì)象在 G1 中是被特殊對(duì)待的，G1 只決定它們是否生存，回收他們占用的空間，從不會(huì)移動(dòng)它們。

• Young-Only 階段，humongous regions 可能會(huì)被回收。
• Space-Reclamation，humongous regions 可能會(huì)被回收。

• GC (44269) 開(kāi)始進(jìn)入并發(fā)階段。
• GC (44270) 完成了 Cleanup，緊接著一個(gè) Prepare Mixed GC (44271) 的垃圾收集，對(duì)應(yīng)周期虛線右邊的藍(lán)實(shí)心圓。
• GC (44272) 之后就是 Space Reclamation 階段了，多個(gè) Mixed GC 會(huì)進(jìn)行。

JVM 性能監(jiān)控工具

我們可以通過(guò)以下幾種工具輔助分析 JVM 性能瓶頸：

綜合組件：

• VisualVM
• Glowroot
• https://arthas.aliyun.com/。

thread dump 分析：

• https://fastthread.io/。

gc 日志分析：

• https://gceasy.io/gc-index.jsp。

heap dump 分析：

• https://www.ibm.com/support/pages/ibm-heapanalyzer。
• https://projects.eclipse.org/projects/tools.mat。

參考資料

【GC 停頓預(yù)測(cè)模型】

• http://www.narihiro.info/g1gc-impl-book/scheduling.html。
• https://sdww2348115.github.io/jvm/g1/PausePredictionModel。

【垃圾收集器執(zhí)行過(guò)程】

• https://bugs.openjdk.org/browse/JDK-8295118。
• https://my.oschina.net/u/4273516/blog/4550072。

【跨代引用】

• https://blog.csdn.net/weixin_47184173/article/details/113627337。

【空閑時(shí)自動(dòng)將Java堆內(nèi)存返回給操作系統(tǒng)】。

• https://openjdk.org/jeps/346

【其他】

• https://docs.oracle.com/javacomponents/jmc-5-4/jfr-runtime-guide/comline.htm#JFRUH197。
• https://www.redhat.com/en/blog/part-1-introduction-g1-garbage-collector。
• https://blog.csdn.net/qq_16500963/article/details/132133125。
• http://cs.williams.edu/~dbarowy/cs334s18/assets/p37-detlefs.pdf。
• https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html。
• https://hllvm-group.iteye.com/group/topic/44381。

本文題目：Java11的G1垃圾收集器
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