G1垃圾收集器

2021-01-14 15:33:19 浏览数 (1)

前言

G1 GC，全称Garbage-First Garbage Collector，通过-XX: UseG1GC参数来启用，作为体验版随着JDK 6u14版本面世，在JDK 7u4版本发行时被正式推出，相信熟悉JVM的同学们都不会对它感到陌生。在JDK 9中，G1被提议设置为默认垃圾收集器（JEP 248）。在官网中，是这样描述G1的：

The Garbage-First (G1) collector is a server-style garbage collector, targeted for multi-processor machines with large memories. It meets garbage collection (GC) pause time goals with a high probability, while achieving high throughput. The G1 garbage collector is fully supported in Oracle JDK 7 update 4 and later releases. The G1 collector is designed for applications that:

  • Can operate concurrently with applications threads like the CMS collector.
  • Compact free space without lengthy GC induced pause times.
  • Need more predictable GC pause durations.
  • Do not want to sacrifice a lot of throughput performance.
  • Do not require a much larger Java heap.

从官网的描述中，我们知道G1是一种服务器端的垃圾收集器，应用在多处理器和大容量内存环境中，在实现高吞吐量的同时，尽可能的满足垃圾收集暂停时间的要求。它是专门针对以下应用场景设计的:

  • 像CMS收集器一样，能与应用程序线程并发执行。
  • 整理空闲空间更快。
  • 需要GC停顿时间更好预测。
  • 不希望牺牲大量的吞吐性能。
  • 不需要更大的Java Heap。

G1收集器的设计目标是取代CMS收集器，它同CMS相比，在以下方面表现的更出色：

  • G1是一个有整理内存过程的垃圾收集器，不会产生很多内存碎片。
  • G1的Stop The World(STW)更可控，G1在停顿时间上添加了预测机制，用户可以指定期望停顿时间。

有了以上的特性，难怪有人说它是一款驾驭一切的垃圾收集器（G1: One Garbage Collector To Rule Them All）。本文带大家来了解一下G1 GC的一些关键技术，为能正确的使用它，做好理论基础的铺垫。

堆内存结构

1、以往的垃圾回收算法，如CMS，使用的堆内存结构如下：

  • 新生代：eden space 2个survivor
  • 老年代：old space
  • 持久代：1.8之前的perm space
  • 元空间：1.8之后的metaspace

这些space必须是地址连续的空间。

2、在G1算法中，采用了另外一种完全不同的方式组织堆内存，堆内存被划分为多个大小相等的内存块（Region），每个Region是逻辑连续的一段内存，结构如下：

每个Region被标记了E、S、O和H，说明每个Region在运行时都充当了一种角色，其中H是以往算法中没有的，它代表Humongous，这表示这些Region存储的是巨型对象（humongous object，H-obj），当新建对象大小超过Region大小一半时，直接在新的一个或多个连续Region中分配，并标记为H。

H-obj有如下几个特征：

  • H-obj直接分配到了old gen，防止了反复拷贝移动。
  • H-obj在global concurrent marking阶段的cleanup 和 full GC阶段回收。
  • 在分配H-obj之前先检查是否超过 initiating heap occupancy percent和the marking threshold, 如果超过的话，就启动global concurrent marking，为的是提早回收，防止 evacuation failures 和 full GC。 为了减少连续H-objs分配对GC的影响，需要把大对象变为普通的对象，建议增大Region size。
分区Region

堆内存中一个Region的大小可以通过-XX:G1HeapRegionSize参数指定，大小区间只能是1M、2M、4M、8M、16M和32M，总之是2的幂次方，如果G1HeapRegionSize为默认值，则在堆初始化时计算Region的实际大小，具体实现如下：

默认把堆内存按照2048份均分，最后得到一个合理的大小。

卡片Card

在每个分区内部又被分成了若干个大小为512 Byte卡片(Card)，标识堆内存最小可用粒度所有分区的卡片将会记录在全局卡片表(Global Card Table)中，分配的对象会占用物理上连续的若干个卡片，当查找对分区内对象的引用时便可通过记录卡片来查找该引用对象(见RSet)。每次对内存的回收，都是对指定分区的卡片进行处理。

堆Heap

G1同样可以通过-Xms/-Xmx来指定堆空间大小。当发生年轻代收集或混合收集时，通过计算GC与应用的耗费时间比，自动调整堆空间大小。如果GC频率太高，则通过增加堆尺寸，来减少GC频率，相应地GC占用的时间也随之降低；目标参数-XX:GCTimeRatio即为GC与应用的耗费时间比，G1默认为9，而CMS默认为99，因为CMS的设计原则是耗费在GC上的时间尽可能的少。另外，当空间不足，如对象空间分配或转移失败时，G1会首先尝试增加堆空间，如果扩容失败，则发起担保的Full GC。Full GC后，堆尺寸计算结果也会调整堆空间。

分代 Generation

分代垃圾收集可以将关注点集中在最近被分配的对象上，而无需整堆扫描，避免长命对象的拷贝，同时独立收集有助于降低响应时间。虽然分区使得内存分配不再要求紧凑的内存空间，但G1依然使用了分代的思想。与其他垃圾收集器类似，G1将内存在逻辑上划分为年轻代和老年代，其中年轻代又划分为Eden空间和Survivor空间。但年轻代空间并不是固定不变的，当现有年轻代分区占满时，JVM会分配新的空闲分区加入到年轻代空间。

整个年轻代内存会在初始空间-XX:G1NewSizePercent(默认整堆5%)与最大空间-XX:G1MaxNewSizePercent(默认60%)之间动态变化，且由参数目标暂停时间-XX:MaxGCPauseMillis(默认200ms)、需要扩缩容的大小以及分区的已记忆集合(RSet)计算得到。当然，G1依然可以设置固定的年轻代大小(参数-XX:NewRatio、-Xmn)，但同时暂停目标将失去意义。

分代模型

本地分配缓冲Lab

值得注意的是，由于分区的思想，每个线程均可以”认领”某个分区用于线程本地的内存分配，而不需要顾及分区是否连续。因此，每个应用线程和GC线程都会独立的使用分区，进而减少同步时间，提升GC效率，这个分区称为本地分配缓冲区(Lab)。

其中，应用线程可以独占一个本地缓冲区(TLAB)来创建的对象，而大部分都会落入Eden区域(巨型对象或分配失败除外)，因此TLAB的分区属于Eden空间；而每次垃圾收集时，每个GC线程同样可以独占一个本地缓冲区(GCLAB)用来转移对象，每次回收会将对象复制到Suvivor空间或老年代空间；对于从Eden/Survivor空间晋升(Promotion)到Survivor/老年代空间的对象，同样有GC独占的本地缓冲区进行操作，该部分称为晋升本地缓冲区(PLAB)。

SATB

全称是Snapshot-At-The-Beginning，由字面理解，是GC开始时活着的对象的一个快照。它是通过Root Tracing得到的，作用是维持并发GC的正确性。 那么它是怎么维持并发GC的正确性的呢？根据三色标记算法，我们知道对象存在三种状态：

  • 白：对象没有被标记到，标记阶段结束后，会被当做垃圾回收掉。
  • 灰：对象被标记了，但是它的field还没有被标记或还没有标记完。
  • 黑：对象被标记了，且它的所有field也被标记完了。

由于并发阶段的存在，Mutator和Garbage Collector线程同时对对象进行修改，就会出现白对象漏标的情况，这种情况发生的前提是：

  • Mutator赋予一个黑对象该白对象的引用。
  • Mutator删除了所有从灰对象到该白对象的直接或者间接引用。

对于第一个条件，在并发标记阶段，如果该白对象是new出来的，并没有被灰对象持有，那么它会不会被漏标呢？Region中有两个top-at-mark-start（TAMS）指针，分别为prevTAMS和nextTAMS。在TAMS以上的对象是新分配的，这是一种隐式的标记。对于在GC时已经存在的白对象，如果它是活着的，它必然会被另一个对象引用，即条件二中的灰对象。如果灰对象到白对象的直接引用或者间接引用被替换了，或者删除了，白对象就会被漏标，从而导致被回收掉，这是非常严重的错误，所以SATB破坏了第二个条件。也就是说，一个对象的引用被替换时，可以通过write barrier 将旧引用记录下来。

代码语言：javascript复制
//  share/vm/gc_implementation/g1/g1SATBCardTableModRefBS.hpp
// This notes that we don't need to access any BarrierSet data
// structures, so this can be called from a static context.
template <class T> static void write_ref_field_pre_static(T* field, oop newVal) {
 T heap_oop = oopDesc::load_heap_oop(field);
 if (!oopDesc::is_null(heap_oop)) {
   enqueue(oopDesc::decode_heap_oop(heap_oop));
 }
}
// share/vm/gc_implementation/g1/g1SATBCardTableModRefBS.cpp
void G1SATBCardTableModRefBS::enqueue(oop pre_val) {
 // Nulls should have been already filtered.
 assert(pre_val->is_oop(true), "Error");
 if (!JavaThread::satb_mark_queue_set().is_active()) return;
 Thread* thr = Thread::current();
 if (thr->is_Java_thread()) {
   JavaThread* jt = (JavaThread*)thr;
   jt->satb_mark_queue().enqueue(pre_val);
 } else {
   MutexLockerEx x(Shared_SATB_Q_lock, Mutex::_no_safepoint_check_flag);
   JavaThread::satb_mark_queue_set().shared_satb_queue()->enqueue(pre_val);
 }
}

SATB也是有副作用的，如果被替换的白对象就是要被收集的垃圾，这次的标记会让它躲过GC，这就是float garbage。因为SATB的做法精度比较低，所以造成的float garbage也会比较多。

CSet

还有一种数据结构也是辅助GC的：Collection Set（CSet），它记录了GC要收集的Region集合，集合里的Region可以是任意年代的。在GC的时候，对于old->young和old->old的跨代对象引用，只要扫描对应的CSet中的RSet即可。候选老年代分区的CSet准入条件，可以通过活跃度阈值-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默认85%)进行设置，从而拦截那些回收开销巨大的对象；同时，每次混合收集可以包含候选老年代分区，可根据CSet对堆的总大小占比-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent(默认10%)设置数量上限。

由上述可知，G1的收集都是根据CSet进行操作的，年轻代收集与混合收集没有明显的不同，最大的区别在于两种收集的触发条件。

年轻代收集集合CSet of Young Collection

应用线程不断活动后，年轻代空间会被逐渐填满。当JVM分配对象到Eden区域失败(Eden区已满)时，便会触发一次STW式的年轻代收集。在年轻代收集中，Eden分区存活的对象将被拷贝到Survivor分区；原有Survivor分区存活的对象，将根据任期阈值(tenuring threshold)分别晋升到PLAB中，新的survivor分区和老年代分区。而原有的年轻代分区将被整体回收掉。

同时，年轻代收集还负责维护对象的年龄(存活次数)，辅助判断老化(tenuring)对象晋升的时候是到Survivor分区还是到老年代分区。年轻代收集首先先将晋升对象尺寸总和、对象年龄信息维护到年龄表中，再根据年龄表、Survivor尺寸、Survivor填充容量-XX:TargetSurvivorRatio(默认50%)、最大任期阈值-XX:MaxTenuringThreshold(默认15)，计算出一个恰当的任期阈值，凡是超过任期阈值的对象都会被晋升到老年代。

混合收集集合CSet of Mixed Collection

年轻代收集不断活动后，老年代的空间也会被逐渐填充。当老年代占用空间超过整堆比IHOP阈值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默认45%)时，G1就会启动一次混合垃圾收集周期。为了满足暂停目标，G1可能不能一口气将所有的候选分区收集掉，因此G1可能会产生连续多次的混合收集与应用线程交替执行，每次STW的混合收集与年轻代收集过程相类似。

为了确定包含到年轻代收集集合CSet的老年代分区，JVM通过参数混合周期的最大总次数-XX:G1MixedGCCountTarget(默认8)、堆废物百分比-XX:G1HeapWastePercent(默认5%)。通过候选老年代分区总数与混合周期最大总次数，确定每次包含到CSet的最小分区数量；根据堆废物百分比，当收集达到参数时，不再启动新的混合收集。而每次添加到CSet的分区，则通过计算得到的GC效率进行安排。

已记忆集合RSet

在串行和并行收集器中，GC通过整堆扫描，来确定对象是否处于可达路径中。然而G1为了避免STW式的整堆扫描，在每个分区记录了一个已记忆集合(RSet)，内部类似一个反向指针，记录引用分区内对象的卡片索引。当要回收该分区时，通过扫描分区的RSet，来确定引用本分区内的对象是否存活，进而确定本分区内的对象存活情况。

事实上，并非所有的引用都需要记录在RSet中，如果一个分区确定需要扫描，那么无需RSet也可以无遗漏的得到引用关系。那么引用源自本分区的对象，当然不用落入RSet中；同时，G1 GC每次都会对年轻代进行整体收集，因此引用源自年轻代的对象，也不需要在RSet中记录。最后只有老年代的分区可能会有RSet记录，这些分区称为拥有RSet分区(an RSet’s owning region)。 逻辑上说每个Region都有一个RSet，RSet记录了其他Region中的对象引用本Region中对象的关系，属于points-into结构（谁引用了我的对象）。而Card Table则是一种points-out（我引用了谁的对象）的结构，每个Card 覆盖一定范围的Heap（一般为512Bytes）。G1的RSet是在Card Table的基础上实现的：每个Region会记录下别的Region有指向自己的指针，并标记这些指针分别在哪些Card的范围内。 这个RSet其实是一个Hash Table，Key是别的Region的起始地址，Value是一个集合，里面的元素是Card Table的Index。

下图表示了RSet、Card和Region的关系（出处）：

上图中有三个Region，每个Region被分成了多个Card，在不同Region中的Card会相互引用，Region1中的Card中的对象引用了Region2中的Card中的对象，蓝色实线表示的就是points-out的关系，而在Region2的RSet中，记录了Region1的Card，即红色虚线表示的关系，这就是points-into。

而维系RSet中的引用关系靠post-write barrier和Concurrent refinement threads来维护，操作伪代码如下：

代码语言：javascript复制
void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
 pre_write_barrier(field);             // pre-write barrier: for maintaining SATB invariant
 *field = new_value;                   // the actual store
 post_write_barrier(field, new_value); // post-write barrier: for tracking cross-region reference
}

post-write barrier记录了跨Region的引用更新，更新日志缓冲区则记录了那些包含更新引用的Cards。一旦缓冲区满了，Post-write barrier就停止服务了，会由Concurrent refinement threads处理这些缓冲区日志。 RSet究竟是怎么辅助GC的呢？在做YGC的时候，只需要选定young generation region的RSet作为根集，这些RSet记录了old->young的跨代引用，避免了扫描整个old generation。 而mixed gc的时候，old generation中记录了old->old的RSet，young->old的引用由扫描全部young generation region得到，这样也不用扫描全部old generation region。所以RSet的引入大大减少了GC的工作量。

Per Region Table

Per Region Table (PRT)

RSet在内部使用Per Region Table(PRT)记录分区的引用情况。由于RSet的记录要占用分区的空间，如果一个分区非常”受欢迎”，那么RSet占用的空间会上升，从而降低分区的可用空间。G1应对这个问题采用了改变RSet的密度的方式，在PRT中将会以三种模式记录引用：

  • 稀少：直接记录引用对象的卡片索引
  • 细粒度：记录引用对象的分区索引
  • 粗粒度：只记录引用情况，每个分区对应一个比特位

由上可知，粗粒度的PRT只是记录了引用数量，需要通过整堆扫描才能找出所有引用，因此扫描速度也是最慢的。

Pause Prediction Model

Pause Prediction Model 即停顿预测模型。它在G1中的作用是：

G1 uses a pause prediction model to meet a user-defined pause time target and selects the number of regions to collect based on the specified pause time target.

G1 GC是一个响应时间优先的GC算法，它与CMS最大的不同是，用户可以设定整个GC过程的期望停顿时间，参数-XX:MaxGCPauseMillis指定一个G1收集过程目标停顿时间，默认值200ms，不过它不是硬性条件，只是期望值。那么G1怎么满足用户的期望呢？就需要这个停顿预测模型了。G1根据这个模型统计计算出来的历史数据来预测本次收集需要选择的Region数量，从而尽量满足用户设定的目标停顿时间。 停顿预测模型是以衰减标准偏差为理论基础实现的：

代码语言：javascript复制
//  share/vm/gc_implementation/g1/g1CollectorPolicy.hpp
double get_new_prediction(TruncatedSeq* seq) {
   return MAX2(seq->davg()   sigma() * seq->dsd(),
               seq->davg() * confidence_factor(seq->num()));
}

在这个预测计算公式中：davg表示衰减均值，sigma()返回一个系数，表示信赖度，dsd表示衰减标准偏差，confidence_factor表示可信度相关系数。而方法的参数TruncateSeq，顾名思义，是一个截断的序列，它只跟踪了序列中的最新的n个元素。

在G1 GC过程中，每个可测量的步骤花费的时间都会记录到TruncateSeq（继承了AbsSeq）中，用来计算衰减均值、衰减变量，衰减标准偏差等：

代码语言：javascript复制
// src/share/vm/utilities/numberSeq.cppvoid AbsSeq::add(double val) {
 if (_num == 0) {
   // if the sequence is empty, the davg is the same as the value
   _davg = val;
   // and the variance is 0
   _dvariance = 0.0;
 } else {
   // otherwise, calculate both
   _davg = (1.0 - _alpha) * val   _alpha * _davg;
   double diff = val - _davg;
   _dvariance = (1.0 - _alpha) * diff * diff   _alpha * _dvariance;
 }
}

比如要预测一次GC过程中，RSet的更新时间，这个操作主要是将Dirty Card加入到RSet中，具体原理参考前面的RSet。每个Dirty Card的时间花费通过_cost_per_card_ms_seq来记录，具体预测代码如下：

代码语言：javascript复制
//  share/vm/gc_implementation/g1/g1CollectorPolicy.hppdouble predict_rs_update_time_ms(size_t pending_cards) {
   return (double) pending_cards * predict_cost_per_card_ms();
}
double predict_cost_per_card_ms() {
   return get_new_prediction(_cost_per_card_ms_seq);
}

get_new_prediction就是我们开头说的方法，现在大家应该基本明白停顿预测模型的实现原理了。

GC过程

讲完了一些基本概念，下面我们就来看看G1的GC过程是怎样的。

G1 GC模式

G1提供了两种GC模式，Young GC和Mixed GC，两种都是完全Stop The World的。

  • Young GC：选定所有年轻代里的Region。通过控制年轻代的region个数，即年轻代内存大小，来控制young GC的时间开销。
  • Mixed GC：选定所有年轻代里的Region，外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的若干老年代Region。在用户指定的开销目标范围内尽可能选择收益高的老年代Region。

由上面的描述可知，Mixed GC不是full GC，它只能回收部分老年代的Region，如果mixed GC实在无法跟上程序分配内存的速度，导致老年代填满无法继续进行Mixed GC，就会使用serial old GC（full GC）来收集整个GC heap。所以我们可以知道，G1是不提供full GC的。

上文中，多次提到了global concurrent marking，它的执行过程类似CMS，但是不同的是，在G1 GC中，它主要是为Mixed GC提供标记服务的，并不是一次GC过程的一个必须环节。global concurrent marking的执行过程分为四个步骤：

  • 初始标记（initial mark，STW）。它标记了从GC Root开始直接可达的对象。
  • 并发标记（Concurrent Marking）。这个阶段从GC Root开始对heap中的对象标记，标记线程与应用程序线程并行执行，并且收集各个Region的存活对象信息。
  • 最终标记（Remark，STW）。标记那些在并发标记阶段发生变化的对象，将被回收。
  • 清除垃圾（Cleanup）。清除空Region（没有存活对象的），加入到free list。

第一阶段initial mark是共用了Young GC的暂停，这是因为他们可以复用root scan操作，所以可以说global concurrent marking是伴随Young GC而发生的。第四阶段Cleanup只是回收了没有存活对象的Region，所以它并不需要STW。

Young GC发生的时机大家都知道，那什么时候发生Mixed GC呢？其实是由一些参数控制着的，另外也控制着哪些老年代Region会被选入CSet。

  • G1HeapWastePercent：在global concurrent marking结束之后，我们可以知道old gen regions中有多少空间要被回收，在每次YGC之后和再次发生Mixed GC之前，会检查垃圾占比是否达到此参数，只有达到了，下次才会发生Mixed GC。
  • G1MixedGCLiveThresholdPercent：old generation region中的存活对象的占比，只有在此参数之下，才会被选入CSet。
  • G1MixedGCCountTarget：一次global concurrent marking之后，最多执行Mixed GC的次数。
  • G1OldCSetRegionThresholdPercent：一次Mixed GC中能被选入CSet的最多old generation region数量。

除了以上的参数，G1 GC相关的其他主要的参数有：

参数

含义

-XX:G1HeapRegionSize=n

设置Region大小，并非最终值

-XX:MaxGCPauseMillis

设置G1收集过程目标时间，默认值200ms，不是硬性条件

-XX:G1NewSizePercent

新生代最小值，默认值5%

-XX:G1MaxNewSizePercent

新生代最大值，默认值60%

-XX:ParallelGCThreads

STW期间，并行GC线程数

-XX:ConcGCThreads=n

并发标记阶段，并行执行的线程数

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent

设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认值是45%。这里的java堆占比指的是non_young_capacity_bytes，包括old humongous

GC日志

G1收集器的日志与其他收集器有很大不同，源于G1独立的体系架构和数据结构。

Young GC日志
代码语言：javascript复制
{Heap before GC invocations=12 (full 1):
garbage-first heap   total 3145728K, used 336645K [0x0000000700000000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
 region size 1024K, 172 young (176128K), 13 survivors (13312K)
Metaspace       used 29944K, capacity 30196K, committed 30464K, reserved 1077248K
 class space    used 3391K, capacity 3480K, committed 3584K, reserved 1048576K
2014-11-14T17:57:23.654 0800: 27.884: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young)
Desired survivor size 11534336 bytes, new threshold 15 (max 15)
- age   1:    5011600 bytes,    5011600 total
27.884: [G1Ergonomics (CSet Construction) start choosing CSet, _pending_cards: 1461, predicted base time: 35.25 ms, remaining time: 64.75 ms, target pause time: 100.00 ms]
27.884: [G1Ergonomics (CSet Construction) add young regions to CSet, eden: 159 regions, survivors: 13 regions, predicted young region time: 44.09 ms]
27.884: [G1Ergonomics (CSet Construction) finish choosing CSet, eden: 159 regions, survivors: 13 regions, old: 0 regions, predicted pause time: 79.34 ms, target pause time: 100.00 ms]
, 0.0158389 secs]
  [Parallel Time: 8.1 ms, GC Workers: 4]
     [GC Worker Start (ms): Min: 27884.5, Avg: 27884.5, Max: 27884.5, Diff: 0.1]
     [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.4, Avg: 0.8, Max: 1.2, Diff: 0.8, Sum: 3.1]
     [Update RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.3, Max: 0.6, Diff: 0.6, Sum: 1.4]
        [Processed Buffers: Min: 0, Avg: 2.8, Max: 5, Diff: 5, Sum: 11]
     [Scan RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.1, Diff: 0.1, Sum: 0.3]
     [Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.2, Diff: 0.2, Sum: 0.6]
     [Object Copy (ms): Min: 4.9, Avg: 5.1, Max: 5.2, Diff: 0.3, Sum: 20.4]
     [Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
     [GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.4, Max: 1.3, Diff: 1.3, Sum: 1.4]
     [GC Worker Total (ms): Min: 6.4, Avg: 6.8, Max: 7.8, Diff: 1.4, Sum: 27.2]
     [GC Worker End (ms): Min: 27891.0, Avg: 27891.3, Max: 27892.3, Diff: 1.3]
  [Code Root Fixup: 0.5 ms]
  [Code Root Migration: 1.3 ms]
  [Code Root Purge: 0.0 ms]
  [Clear CT: 0.2 ms]
  [Other: 5.8 ms]
     [Choose CSet: 0.0 ms]
     [Ref Proc: 5.0 ms]
     [Ref Enq: 0.1 ms]
     [Redirty Cards: 0.0 ms]
     [Free CSet: 0.2 ms]
  [Eden: 159.0M(159.0M)->0.0B(301.0M) Survivors: 13.0M->11.0M Heap: 328.8M(3072.0M)->167.3M(3072.0M)]
Heap after GC invocations=13 (full 1):
garbage-first heap   total 3145728K, used 171269K [0x0000000700000000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
 region size 1024K, 11 young (11264K), 11 survivors (11264K)
Metaspace       used 29944K, capacity 30196K, committed 30464K, reserved 1077248K
 class space    used 3391K, capacity 3480K, committed 3584K, reserved 1048576K
}
[Times: user=0.05 sys=0.01, real=0.02 secs]

每个过程的作用如下：

  • garbage-first heap total 3145728K, used 336645K [0x0000000700000000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000) 这行表示使用了G1垃圾收集器，total heap 3145728K，使用了336645K。
  • region size 1024K, 172 young (176128K), 13 survivors (13312K) Region大小为1M，青年代占用了172个（共176128K），幸存区占用了13个（共13312K）。
  • Metaspace used 29944K, capacity 30196K, committed 30464K, reserved 1077248K class space used 3391K, capacity 3480K, committed 3584K, reserved 1048576K java 8的新特性，去掉永久区，添加了元数据区，这块不是本文重点，不再赘述。需要注意的是，之所以有committed和reserved，是因为没有设置MetaspaceSize=MaxMetaspaceSize。
  • [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young) GC原因，新生代minor GC。
  • [G1Ergonomics (CSet Construction) start choosing CSet, _pending_cards: 1461, predicted base time: 35.25 ms, remaining time: 64.75 ms, target pause time: 100.00 ms] 发生minor GC和full GC时，所有相关region都是要回收的。而发生并发GC时，会根据目标停顿时间动态选择部分垃圾对并多的Region回收，这一步就是选择Region。_pending_cards是关于RSet的Card Table。predicted base time是预测的扫描card table时间。
  • [G1Ergonomics (CSet Construction) add young regions to CSet, eden: 159 regions, survivors: 13 regions, predicted young region time: 44.09 ms] 这一步是添加Region到collection set，新生代一共159个Region，13个幸存区Region，这也和之前的（172 young (176128K), 13 survivors (13312K)）吻合。预计收集时间是44.09 ms。
  • [G1Ergonomics (CSet Construction) finish choosing CSet, eden: 159 regions, survivors: 13 regions, old: 0 regions, predicted pause time: 79.34 ms, target pause time: 100.00 ms] 这一步是对上面两步的总结。预计总收集时间79.34ms。
  • [Parallel Time: 8.1 ms, GC Workers: 4] 由于收集过程是多线程并行（并发）进行，这里是4个线程，总共耗时8.1ms（wall clock time）
  • [GC Worker Start (ms): Min: 27884.5, Avg: 27884.5, Max: 27884.5, Diff: 0.1] 收集线程开始的时间，使用的是相对时间，Min是最早开始时间，Avg是平均开始时间，Max是最晚开始时间，Diff是Max-Min（此处的0.1貌似有问题）
  • [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.4, Avg: 0.8, Max: 1.2, Diff: 0.8, Sum: 3.1] 扫描Roots花费的时间，Sum表示total cpu time，下同。
  • [Update RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.3, Max: 0.6, Diff: 0.6, Sum: 1.4] [Processed Buffers: Min: 0, Avg: 2.8, Max: 5, Diff: 5, Sum: 11] Update RS (ms)是每个线程花费在更新Remembered Set上的时间。
  • [Scan RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.1, Diff: 0.1, Sum: 0.3] 扫描CS中的region对应的RSet，因为RSet是points-into，所以这样实现避免了扫描old generadion region，但是会产生float garbage。
  • [Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.2, Diff: 0.2, Sum: 0.6] 扫描code root耗时。code root指的是经过JIT编译后的代码里，引用了heap中的对象。引用关系保存在RSet中。
  • [Object Copy (ms): Min: 4.9, Avg: 5.1, Max: 5.2, Diff: 0.3, Sum: 20.4] 拷贝活的对象到新region的耗时。
  • [Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0] 线程结束，在结束前，它会检查其他线程是否还有未扫描完的引用，如果有，则"偷"过来，完成后再申请结束，这个时间是线程之前互相同步所花费的时间。
  • [GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.4, Max: 1.3, Diff: 1.3, Sum: 1.4] 花费在其他工作上（未列出）的时间。
  • [GC Worker Total (ms): Min: 6.4, Avg: 6.8, Max: 7.8, Diff: 1.4, Sum: 27.2] 每个线程花费的时间和。
  • [GC Worker End (ms): Min: 27891.0, Avg: 27891.3, Max: 27892.3, Diff: 1.3] 每个线程结束的时间。
  • [Code Root Fixup: 0.5 ms] 用来将code root修正到正确的evacuate之后的对象位置所花费的时间。
  • [Code Root Migration: 1.3 ms] 更新code root 引用的耗时，code root中的引用因为对象的evacuation而需要更新。
  • [Code Root Purge: 0.0 ms] 清除code root的耗时，code root中的引用已经失效，不再指向Region中的对象，所以需要被清除。
  • [Clear CT: 0.2 ms] 清除card table的耗时。
  • [Other: 5.8 ms] [Choose CSet: 0.0 ms] [Ref Proc: 5.0 ms] [Ref Enq: 0.1 ms] [Redirty Cards: 0.0 ms] [Free CSet: 0.2 ms] 其他事项共耗时5.8ms，其他事项包括选择CSet，处理已用对象，引用入ReferenceQueues，释放CSet中的region到free list。
  • [Eden: 159.0M(159.0M)->0.0B(301.0M) Survivors: 13.0M->11.0M Heap: 328.8M(3072.0M)->167.3M(3072.0M)] 新生代清空了，下次扩容到301MB。
global concurrent marking 日志
代码语言：javascript复制
66955.252: [G1Ergonomics (Concurrent Cycles) request concurrent cycle initiation, reason: occupancy higher than threshold, occupancy: 1449132032 bytes, allocation request: 579608 bytes, threshold: 1449
551430 bytes (45.00 %), source: concurrent humongous allocation]
2014-12-10T11:13:09.532 0800: 66955.252: Application time: 2.5750418 seconds
66955.259: [G1Ergonomics (Concurrent Cycles) request concurrent cycle initiation, reason: requested by GC cause, GC cause: G1 Humongous Allocation]
{Heap before GC invocations=1874 (full 4):
garbage-first heap   total 3145728K, used 1281786K [0x0000000700000000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
 region size 1024K, 171 young (175104K), 27 survivors (27648K)
Metaspace       used 116681K, capacity 137645K, committed 137984K, reserved 1171456K
 class space    used 13082K, capacity 16290K, committed 16384K, reserved 1048576K
66955.259: [G1Ergonomics (Concurrent Cycles) initiate concurrent cycle, reason: concurrent cycle initiation requested]
2014-12-10T11:13:09.539 0800: 66955.259: [GC pause (G1 Humongous Allocation) (young) (initial-mark)
…….
2014-12-10T11:13:09.597 0800: 66955.317: [GC concurrent-root-region-scan-start]
2014-12-10T11:13:09.597 0800: 66955.318: Total time for which application threads were stopped: 0.0655753 seconds
2014-12-10T11:13:09.610 0800: 66955.330: Application time: 0.0127071 seconds
2014-12-10T11:13:09.614 0800: 66955.335: Total time for which application threads were stopped: 0.0043882 seconds
2014-12-10T11:13:09.625 0800: 66955.346: [GC concurrent-root-region-scan-end, 0.0281351 secs]
2014-12-10T11:13:09.625 0800: 66955.346: [GC concurrent-mark-start]
2014-12-10T11:13:09.645 0800: 66955.365: Application time: 0.0306801 seconds
2014-12-10T11:13:09.651 0800: 66955.371: Total time for which application threads were stopped: 0.0061326 seconds
2014-12-10T11:13:10.212 0800: 66955.933: [GC concurrent-mark-end, 0.5871129 secs]
2014-12-10T11:13:10.212 0800: 66955.933: Application time: 0.5613792 seconds
2014-12-10T11:13:10.215 0800: 66955.935: [GC remark 66955.936: [GC ref-proc, 0.0235275 secs], 0.0320865 secs]
[Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.03 secs]
2014-12-10T11:13:10.247 0800: 66955.968: Total time for which application threads were stopped: 0.0350098 seconds
2014-12-10T11:13:10.248 0800: 66955.968: Application time: 0.0001691 seconds
2014-12-10T11:13:10.250 0800: 66955.970: [GC cleanup 1178M->632M(3072M), 0.0060632 secs]
[Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs]
2014-12-10T11:13:10.256 0800: 66955.977: Total time for which application threads were stopped: 0.0088462 seconds
2014-12-10T11:13:10.257 0800: 66955.977: [GC concurrent-cleanup-start]
2014-12-10T11:13:10.259 0800: 66955.979: [GC concurrent-cleanup-end, 0.0024743 secs

这次发生global concurrent marking的原因是：humongous allocation，上面提过在巨大对象分配之前，会检测到old generation 使用占比是否超过了 initiating heap occupancy percent（45%），因为 1449132032(used) 579608(allocation request:) > 1449551430(threshold)，所以触发了本次global concurrent marking。对于具体执行过程，上面的表格已经详细讲解了。值得注意的是上文中所说的initial mark往往伴随着一次YGC，在日志中也有体现：GC pause (G1 Humongous Allocation) (young) (initial-mark)。

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