开篇诗两句：

​ 春眠不觉晓，处处闻啼鸟。

​ 夜来风雨声，花落知多少。 ——孟浩然《春晓》

学习G1收集器过程中总结的相关知识。

概述

G1（Garbage First）是当今垃圾回收机制中最前沿的成功之一，在JDK7中就已经开始引入G1，并作为重点发展的垃圾回收器。G1最大的特点是引入了分区的思想，一定程度上弱化了分代的概念，同时解决和很多其他收集器存在的缺陷。

GC收集器回顾与比较

当前JVM主流的收集器如下：

各个收集器对比：

收集器	组合	流程图	优劣势
串行收集器	Serial + Serial OldSerial用于回收新生代 Serial Old用于回收老年代。		优势：由于串行收集器采用的是单线程的处理方式，所有复杂度更低，占用内存少 劣势：回收速度不高，STW（Stop The World）导致应用停顿时间过长。
并行收集器	Parallel Scavenge + Parallel Old Parallel Scavenge回收新生代 Parallel Old回收老年代		优势：GC过程是多线程并发执行，回收速度相对于串行收集器更快，适合高吞吐场景 劣势：占用资源相对于串行收集器要更多一点，并且不适合延迟要求高的场景 新生代：复制整理算法，老年代：标记整理算法 本身是追求高吞吐的收集器
CMS	ParNew + CMS + Serial Old ParNew回收新生代 CMS回收老年代 Serial Old兜底策略		优势：GC过程是多线程执行，以关注延迟为目标 劣势：吞吐量方面不如并行收集器CMS在进行内存回收时会增加堆内存的使用量，所以CMS进行回收时，必须要在老年代堆内存用尽之前，否则就必须通过Serial Old进行串行回收，导致更大的停顿CMS使用的时标记清除算法，会产生内存碎片 新生代：复制整理算法，老年代：（1）初始标记（STW）（2）并发标记（3）重新标记（STW）（4）并发清除
Garbage First	Garbage First即收集新生代，又收集老年代		优势：以关注延迟为目标，引入分区思想，进一步降低延迟时间，同时解决CMS内存碎片的问题 劣势：需要更多的内存来完成内存回收，如果内存不足，同样需要使用串行回收作为兜底策略

G1内存模型

相关概念

YoungGC流程

Young GC需要STW（Stop the world）

名称	描述	结构图
选择收集分区集合（CSet）	Young GC过程的CSet会包括所有的年轻代分区。
根扫描	通过Root判断CSet集合中的分区中哪些是存活对象（包括整个引用路径）
RSet扫描	更新RSet，应为RSet的更新是异步写入的，所以需要保证RSet是最新的，见7.2 通过Region中的RSet判断有哪些对象被引用，并标记成存活对象（包括整个引用路径）
复制整理	将步骤2和步骤3标记的存活对象复制到新的survivor分区中GC线程在进行对象复制时 不是所有GC线程都向同一个Region复制，而是复制到自己的私有缓冲区中（PLAB）
释放分区	将原本年轻代的分区全部释放

MixedGC流程

Mixed GC主要分为如下几个阶段：

（1）初始标记（2）根分区扫描（3）并发标记（4）重新标记（5）清理（6）内存回收

初始标记（Initial Marking）

初始标记的目的：标记所有root object

当 Old Generation 空间占用整个 Heap 比例超过目标值(-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent, IHOP)后，开始 OGC 过程，最开始执行的是初始标记阶段。

但是不是触发IHOP之后就立刻执行初始标记，而是等待下次Young GC执行时，同时执行初始标记。

因为初始标记需要STW，所以为了减少暂停时间，初始标记会和young GC同时执行（young GC同样需要STW）

根分区扫描（Root Region Scanning）

扫描Young GC过程拷贝到survivor区的所有对象，并标记为live （Young GC存活下来的对象都认为是live对象）

该阶段需要在下一次Young GC执行之前完成，否则该阶段执行失败需要重新执行（survivor中的对象变化，需要重新扫描）

并发标记（Concurrent Marking）

并发标记目标：标记所有存活对象

并发标记线程每次扫描一个Region，并根据Region的RSet来标记Region中存活对象（标记在一个全局的Bitmap中）

并发标记线程还会定时消费SATB缓冲区，标记存活对象（见Pre-Write Barrrier）

重新标记（Remark）

重新标记阶段需要将SATB缓冲区消费干净，并且处理完成所有其他的引用更新，找出所有未被标记的存活对象。因为如果应用线程持续运行，引用信息会持续变化，所以该阶段也是STW的

清理（Clean）

该阶段不是真正执行内存回收的阶段

（1）根据每个Region的garbage占用情况，和RSet活跃程度评估每个Region的GC效率，并根据GC效率将Region排序。

（2）发现没有存活对象的Region时直接将其清理。

（3）对每个Region的RSet进行清理，比如发现一个card中指向当前Region的Object都dead了，就直接清理这个RSet内的记录。因为之后无论是YGC还是Mixed GC都会扫描这个RSet，将其清理一下有助于提升之后清理过程中RSet扫描效率。

内存回收（Mixed GC）

Mixed GC本质上就是Young GC，通常Young GC时CSet（被回收分区的集合）只会包含新生代Region，但是Mixed GC时，CSet中会添加老年代的Region，实际回收方式都是一样的（复制整理）。

RSet记录与更新

并发标记阶段在标记所有存活对象时，需要扫描每个Region的RSet表，来判断有哪些Region的Card引用了当前Region，以此来判断当前Region中的存活对象。

RSet的主要作用是记录有哪些Region引用了当前Region中的对象，减少在GC过程中标记对象时扫描的内存大小，进而减少GC过程的停顿时间。

RSet记录

RSet会根据分区引用活跃度（其实就是引用数量）分为三个等级，每个等级都有会一个PRT表来存储相关内容：（1）稀少（2）细粒度（3）粗粒度

（1）稀少

该等级的RSet会直接记录引用当前Region的Card的指针（Region : Card）

通过这种方式，当需要回收当前Region时，只需要根据RSet中记录的指针，扫面对应的Card来判断当前Region中存活的对象即可。

（2）细粒度

该等级中的RSet不再直接保存Card的指针，而是为Region B创建一个位图（Bitmap B），然后A中的RSet中保存该位图和Region B的指针。

Bitmap B中每个Bit表示Region B中的一个Card，通过这种方式记录Region B中各个Card对Region A的引用关系。

这种存储方式相较于上面稀少等级，需要占用更多的存储空间，而且是间接保存的引用关系，所以扫描耗时会相对更长。

（3）粗粒度

该等级的RSet本身就是Bitmap，Bitmap中每个Bit代表堆内存中的一个Region，通过这种方式保存其他分区对当前分区的引用关系。

这种方式带来的缺点就是，需要扫描整个Region才能找到各个Card的引用关系，耗时会更长。

RSet更新

RSet更新是通过写栅栏（write barrier）实现的。其中G1实现了两个barrier，（1）pre-write barrier （2）post-write barrier

（1）写前栅栏（pre-write barrier）：写前栅栏不是用来更新RSet，具体见并发标记流程

（2）写后栅栏（post-write barrier）：

该post-write barrier在每次写入引用时都会被调用，但是实际应用修改引用的频率非常多，所以该barrier必须保证性能。post-write barrier只作如下两件事：

（1）判断当前写入的reference是不是跨Region的（当前Region引用当前Region内部的对象是不需要记录到RSet中）

（2）判断是不是old-to-old，old-to-young（young-to-old，young-to-young是不记录的）

如果满足上面两个条件，就会将引用修改的相关信息（引用所在的Card，被引用的Region等信息）写入到update log buffer中（可以简单认为是一个队列），如果当前update log buffer写满了，会重新申请一个新的update log buffer，并将原有的放入到全局的list中。

之后会有concurrent refinement threads去消费update log buffer，并更新对应Region的RSet信息，以及RSet粒度调整的相关工作。

concurrent refinement threads是可以多线程并发执行的，具体数量是根据update log buffer中积压的情况动态调整的，但是concurrent refinement threads的数量不是无限增大的，当update log buffer堆积的数量过多导致消费不完时，此时应用线程会协助concurrent refinement threads来完成RSet更新操作，此时会影响应用线程的效率。

标记流程

G1 的这套 Marking 算法借鉴了Snapshot-at-the-beginning (SATB) 算法

SATB 内部会对 Heap 维护一个 Snapshot，标记工作也是在这个 Snapshot 上进行。SATB 保证：

对象和参数介绍：

（1）PrevBitmap，NextBitmap

SATB 会维护两个Bitmap，PrevBitmap和NextBitmap。PrevBitmap存的是上一次完成的标记信息，当前标记阶段会创建并更新NextBitmap。随着标记阶段的进行，NextBitmap会逐渐被完善，当NextBitmap拥有整个堆的标记信息后，NextBitmap会替代PrevBitmap。

（2）top-at-mark-start （TAMS）

在 G1 Region上，有两个top-at-mark-start (TAMS) 标记位，一个是标记上一次标记阶段使用的TAMS，也称为PrevTAMS；另一个用来标记本次标记阶段，也称为NextTAMS。

SATB算法执行流程

阶段A：

（1）PrevBitmap和NextBitmap都是空的，说明这是个新Region，没有经历过标记阶段。

（2）Bottom和Top之间是Region当前已经分配的空间。

（3）因为没有经历过标记，PrevTAMS指向 Bottom。NextTAMS不管Region之前是否经历过标记，initial marking的时候都会指向Top。

阶段B：

（1）在Remark阶段结束之后，来到了图中B指示的阶段。

（2）NextBitmap已经被标记了哪些是存活对象。

（3）NextTAMS到Top之间的object是并发标记阶段，因为业务线程跟标记线程并发运行而新产生的 object。这部分object全部认为是live的。（只针对PrevTAMS到NextTAMS之间的区域进行标记）

阶段C：

（1）Clean阶段，NextBitmap替换PrevBitmap

注意：NextBitmap和PrevBitmap 实际都是全局的一个Bitmap，是标识整个Heap的。上图中Bitmap看上去跟Region绑定只是为了方便看，便于理解。

阶段D：

（1）G1的Mixed GC不是一定要在整个Heap上所有dead object都被收集干净了才停止，而是只要根据标记提供的dead object占用的空间在整个Heap中占比小于一定值后，就停止收集。所以完全是有可能存在能经历两次甚至更多次标记的Region。

（标记整理，正常被回收的Region会被整体释放掉）

（2）从D能看到Top相对于C增长了一些，说明上次标记结束后，这个Region上又有新晋升上来的object。

（3）跟A一样，PrevBitmap、PrevTAMS保持不变，创建NextBitmap，NextTAMS指向Top。并且看到PrevBitmap没有变化，因为不经历标记这个bitmap是不可能变化的。

阶段E：

（1）跟B一样，Remark结束，Bottom到NextTAMS之间所有存活的object都被标识出来

（2）NextTAMS到Top之间是本轮并发标记阶段新晋升的object，直接被标记为live。

阶段F：

（1）跟C一样，NextBitmap替换PrevBitmap，NextBitmap被清理。

从上面看到标记阶段实际就是为了维护PrevBitmap，通过这个Bitmap，就能知道一个Region上有多少存活object，从而能够根据dead object空间占比来排序，找出GC效率最高的Region来GC。

写前栅栏（pre-write barrier）

写前栅栏只会在并发标记阶段生效，而写后栅栏是持续生效的

例如如下伪代码：

//java 代码
x.f = y

//pre-write barrier
if (is-marking-active) {
  prev = x.f;
  if (prev != Null) {
    satb_enqueue(prev);
  }
}

写前栅栏会将被删除的引用投递到SATB缓存区中，然后由concurrent marking thread（并发标记线程）消费，将被删除引用的对象标记成live状态。

写前栅栏主要解决的问题是，防止出现漏标的情况出现：

例如：

x.f = z      // 假如一开始 x.f 是指向 z 的
x.f = y      // 修改 x.f 的引用，此时 z 可能确实是死掉了
w.f = z      // 由于某种原因将 z 救活

此时由于应用线程和标记线程是并发执行的，如果没有写前栅栏，很可能会将z标记成dead状态，并在之后将z回收，导致问题出现。

写前栅栏的原则：宁可错标也不能漏标。

三色标记法漏标记的情况：

（1）没有写前栅栏，可能出现漏标记的情况：

（2）增加写前栅栏后，当移除B对C的引用后，会将C标记成存活状态