蚂蚁金服架构师所了解的Java 9中的GC调优

在经过了几次跳票之后，Java 9终于在原计划日期的整整一年之后发布了正式版。Java 9引入了很多新的特性，除了闪瞎眼的Module System和REPL，最重要的变化我认为是默认GC（Garbage Collector）修改为新一代更复杂、更全面、性能更好的G1（Garbage-First）。JDK的维护者在GC选择上一直是比较保守的，G1从JDK 1.6时代就开始进入开发者的视野，直到今天正式成为Hotspot的默认GC，也是走了很长的路。

本文将主要讲解GC调优需要知道的一些基础知识，会涉及到一些GC的实现细节，但不会对实现细节做很全面的阐述，如果你看完本文之后，能对GC有一个大致的认识，那本文的写作目的也就达到了。由于在这次写作过程中，恰逢Java 9正式版发布，之前都是依赖Java 8的文档写的，如果有不正确的地方还望指正。本文将包含以下内容：

1. GC的作用范围
2. GC负责的事情
3. JVM中的4种GC
4. G1的一些细节
5. 使用Java 9正式版对G1进行测试
6. 一些简单的GC调优方法

一、GC的作用范围

要谈GC的作用范围，首先要谈JVM的内存结构，JVM内存中主要有以下几个区域：堆、方法区（JVM规范中的叫法，Hotspot大致对应的是Metaspace）、栈、本地方法栈、PC等，其中GC主要作用在堆上，如下图所示：

JVM内存结构

其中堆和方法区是所有线程共享的，其他则为线程独有，HotSpot JVM使用基于分代的垃圾回收机制，所以在堆上又分为几个不同的区域（在G1中，各年龄代不再是连续的一整片内存，为了描述方便，这里还使用传统的表示方法），具体如下图所示：

JVM堆中的分区

二、GC负责的事情

GC的发展是随着JDK（Standard Edition）的发展一步步发展起来的，垃圾回收（Garbage Collection）可以说是JDK里最影响性能的行为了。GC做的事情，说白了就是「通过对内存进行管理，以保障在内存足够的时候，程序可以正常的使用内存」。具体而言，GC通常做的事情有以下3个：

1. 分配对象和对象的年龄管理

通常而言，GC需要管理「在上图中的年轻代（Young）分配对象，然后通过一系列的年龄管理，将之销毁或晋升到老年代（Tenured）中去」的过程。这个过程会伴随着若干次的Minor GC。

对于普通的对象而言，分配内存是一件很简单而且快速的事情。在对象还未创建时，其所占内存大小通过类的元数据就可以确定，而Eden区域的内存可以认为是连续的，所以给对象分配内存要做的只是在上图中Eden区域中把指针移动相应的长度，并将地址返回给对象的引用即可。当然实际的过程比这个复杂，在下文中会提到。

不过，有时候一个对象会直接在老年代中创建，这个点也会在后边提到。

2. 在老年代中进行标记

老年代的GC算法可以大致是认为是一个标记-整理（Mark-Compact，其实是混合了标记-清理，标记-复制和标记-整理）算法，所以老年代的垃圾清理首先要做的就是在老年代对存活的对象（可达性分析，关于不同的可达性可以参考JDK解构 - Java中的引用和动态代理的实现）进行标记，对于寻求大吞吐量的服务器应用来说，这个过程往往需要是并发的。

标记的过程发生在Major GC被触发之后，不同的GC对于MajorGC的触发条件和标记过程的实现也不尽相同。

3. 在老年代中进行压缩

在上一条的基础上，将还存活的对象进行压缩（CMS和G1的行为与此有些不同之处），压缩的过程就是将存活的对象从老年代的起点进行挨个复制，使得老年代维持在一片连续的内存中，消除内存碎片，对于内存分配速度的提升会有很大的帮助。

三、GC的种类

Hotspot会根据宿主机的硬件特性和操作系统类型，将之分为客户端型（client-class）或者服务器型（server-class），如果是服务器型主机，Java 9之前默认使用Parallel GC，Java 9中默认使用G1。对于服务器型主机的选择标准是「CPU核心数大于1，内存大于2GB」，所以现在大部分的主机都可以认为是服务器型主机。

这里讨论的所有GC都是基于分代垃圾回收算法的。

1. Serail

Serail是最早的一款GC，它只使用一个线程来做所有的Minor和Major垃圾回收。它在运行时，其他所有的事情都会暂停。其工作方式十分简单，在需要GC的安全点，它会停止所有其他线程（Stop-The-World），对年轻代进行标记-复制，或对老年代进行标记-整理。

可以使用JVM参数-XX:+UseSerialGC来开启此GC，当使用此参数时，年轻代和老年代将都是用Serial来做垃圾回收。在年轻代使用标记-复制算法，将Eden中存活的对象和非空的Suvivor区（From）中存活的对象复制到空的Suvivor区（To）中去，同时将一部分Suvivor中的对象晋升到老年代去。在老年代则使用标记-整理算法。

看起来Serial古老而简陋，但在宿主机资源紧张或者JVM堆很小的情况下（比如堆内存大小只有不到100M），Serial反而可以达到更好的效果，因为其他并发或并行GC都是基于多线程的，会带来额外的线程切换和线程间通信的开销。

2. Parallel/Throughput

Parallel在Java 9之前是服务器型宿主机中JVM的默认GC，其垃圾回收的算法和Serial基本相同，不同之处在与它使用多线程来执行。由于使用了多线程，可以享受多核CPU带来的优势，可以通过参数-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC显示指定。

3. CMS

CMS和G1都属于「Mostly Concurrent Mark and Sweep Garbage Collector」，可以使用-XX:+UseConcMarkSweepGC参数打开。CMS的年轻代垃圾回收使用的是Parallel New来做，其行为和Parallel中的差不多相同，他们的实现上有一些不同的地方，比如Parallel可以自动调节年轻代中各区的大小，用的是广度优先搜索等。

老年代使用CMS，CMS的回收和Parallel也基本类似，不同点在与，CMS使用的更复杂的可达性分析步骤，并且不是每次都做压缩的动作，这样达到的效果就是，Stop-The-World的时长会降低，JVM运行中断的时间减少，适合在对延迟敏感的场景下使用。

CMS在Java 9中已经被废弃，但了解CMS的行为对理解G1会有一些帮助，所以这里还是会简单的叙述一下。CMS的步骤大致如下：

1. 第一次标记
   从GC Roots开始，找到它们在老年代中第一个可达的对象，这些对象或者是直接被GC Roots引用，或者通过年轻代中的对象被GC Roots引用。这一步会Stop-The-World。

2. 并发标记
   在第一次标记的基础上，进一步进行可达性分析，从而标记存活的对象。这一步叫「并发」标记，是因为做标记的线程是和应用的工作线程并发执行的，也就是说，这一步不会Stop-The-World。

3. 第二次标记
   在并发标记的过程中，由于程序仍在执行，会导致在并发标记完成后，有一些对象的可达性会发生变化，所以需要再次对他们进行标记。这一步会Stop-The-World。

4. 清理
   回收不使用的对象，留作以后使用。

CMS的设计比较复杂，所以也带来了一些问题，比如浮动垃圾（Floating Garbage，指的是在第一步标记可达，但在第二步执行的同时已经不可达的对象），由于不做老年代压缩，导致老年代会出现较多的内存碎片。

4. G1

由于「引入了并发标记」和「不做老年代压缩」，CMS可以带来更好的响应时延表现，但同时也带来了一些问题。G1本身就是作为CMS的替代品出现的，在它的使用场景里，堆不再是连续的被分为上文所说的各种代，整个堆会被分为一个个区域（Region），每个区域可以是任何代。如下图所示：

使用G1的JVM某时刻的堆内存

其中有红色方框的为年轻代（标S的为Survivor区域，其他为Eden），其他蓝色底的区域为老年代（标H的为大对象区域，用以存储大对象）。

四、G1的一些细节

G1与以上3种GC相同，也是基于分代的垃圾回收器。它的垃圾回收步骤可以分为年轻代回收（Young-only phase，类似于Minor GC）和混合垃圾回收阶段（Space-reclamation phase）。下图是Oracle文档中对于此两个阶段的示意图：

jsgct_dt_001_grbgcltncyl.png

G1设计目标和适用对象

G1的设计目标是让大型的JVM可以动态的控制GC的行为以满足用户配置的性能目标。G1会在平衡吞吐和响应时延的基础上，尽可能的满足用户的需求。它适用的JVM往往有以下特征：

1. 堆的大小可能达到数十G（或者更大），同时存活的对象数量也很多。
2. 对象的分配和年龄增长的行为随着程序的运行不断的变化
3. 堆上很容易形成碎片
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5. 要求较少的Stop-The-World暂停时间，通常小于数百毫秒

对G1的行为进行测试

如果想要看垃圾回收的具体执行过程，可以使用虚拟机参数-Xlog:gc*=debug或者-Xlog:gc*=info，前一个会打印更多的细节。注意传统的VM参数-XX:+PrintGCDetails在Java9中已经废弃，会有Warning信息。可以使用以下代码中的程序去测试：

static int TOTAL_SIZE = 1024 * 5;
static Object[] floatingObjs= new Object[TOTAL_SIZE];
static LinkedList<Object> immortalObjs = new LinkedList<Object>();
//释放浮动垃圾
synchronized static void renewFloatingObjs() {System.err.println("存活对象满========================================");if (floatingSize + 5 >= TOTAL_SIZE) {floatingObjs= new Object[TOTAL_SIZE];floatingSize = 0;}
}
//添加浮动垃圾
synchronized static void addObjToFloating(Object obj) {if (floatingSize++ < TOTAL_SIZE) {floatingObjs[floatingSize] = obj;if (immortalSize++ < TOTAL_SIZE) {immortalObjs.add(obj);} else {immortalObjs.remove(new Random().nextInt(TOTAL_SIZE));immortalObjs.add(obj);}}
}public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {while (true) {try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}Byte[] garbage = new Byte[1024 * (1 + new Random().nextInt(20))];if (new Random().nextInt(20) < 2) {if (floatingSize + 5 >= TOTAL_SIZE) {renewFloatingObjs();}addObjToFloating(garbage);}}}).start();}
}

在这段代码中，模拟了常规程序的使用情况。不断的生成新的大小不等的对象，这些对象中会有大约10%的机会进入浮动垃圾floatingObjs，浮动垃圾会被定期清除。同时会有一部分的对象进入immortalObjs，这些对象被释放的机会更少，它们大概率将成为老年代的常住用户。

从上边的测试可以得到如下GC日志1，这是一次完整的年轻代GC，从中可以看到，默认的区域大小为1M，同时将开始一次Full GC，其格式大致为[<虚拟机运行的时长>][<日志级别>][<标签>] GC(<GC的标识>) <其他信息>

//日志1
[0.014s][info][gc,heap] Heap region size: 1M
//一次完整的年轻代垃圾回收，伴随着一次暂停
[12.059s][info ][gc,start             ] GC(18) Pause Young (G1 Evacuation Pause)                            
[12.059s][info ][gc,task              ] GC(18) Using 8 workers of 8 for evacuation                          
[12.078s][info ][gc,phases            ] GC(18)   Pre Evacuate Collection Set: 0.0ms                         
[12.078s][info ][gc,phases            ] GC(18)   Evacuate Collection Set: 18.6ms                            
[12.079s][info ][gc,phases            ] GC(18)   Post Evacuate Collection Set: 0.3ms                            
[12.079s][info ][gc,phases            ] GC(18)   Other: 0.3ms                           
[12.079s][info ][gc,heap              ] GC(18) Eden regions: 342->0(315)                            
[12.079s][info ][gc,heap              ] GC(18) Survivor regions: 38->35(48)                         
[12.079s][info ][gc,heap              ] GC(18) Old regions: 425->463                            
[12.079s][info ][gc,heap              ] GC(18) Humongous regions: 0->0                          
[12.078s][debug][gc,ergo,ihop         ] GC(18) Request concurrent cycle initiation (occupancy higher than threshold) occupancy: 485490688B allocation request: 0B threshold: 472331059B (45.00) source: end of GC
[12.078s][debug][gc,ihop              ] GC(18) Basic information (value update), threshold: 472331059B (45.00), target occupancy: 1049624576B, current occupancy: 521069456B, recent allocation size: 20640B, recent allocation duration: 817.38ms, recent old gen allocation rate: 25251.50B/s, recent marking phase length: 0.00ms
[12.078s][debug][gc,ihop              ] GC(18) Adaptive IHOP information (value update), threshold: 472331059B (47.37), internal target occupancy: 997143347B, occupancy: 521069456B, additional buffer size: 367001600B, predicted old gen allocation rate: 318128.08B/s, predicted marking phase length: 0.00ms, prediction active: false
[12.078s][debug][gc,ergo,refine       ] GC(18) Updated Refinement Zones: green: 15, yellow: 45, red: 75
[12.079s][info ][gc,heap              ] GC(18) Eden regions: 342->0(315)
[12.079s][info ][gc,heap              ] GC(18) Survivor regions: 38->35(48)
[12.079s][info ][gc,heap              ] GC(18) Old regions: 425->463
[12.079s][info ][gc,heap              ] GC(18) Humongous regions: 0->0
[12.079s][info ][gc,metaspace         ] GC(18) Metaspace: 5172K->5172K(1056768K)
[12.079s][debug][gc,heap              ] GC(18) Heap after GC invocations=19 (full 0):       
[12.079s][info ][gc                   ] GC(18) Pause Young (G1 Evacuation Pause) 803M->496M(1001M) 19.391ms                             
[12.079s][info ][gc,cpu               ] GC(18) User=0.05s Sys=0.00s Real=0.02s          

年轻代回收（Young-only）

对于纯粹的年轻代回收，其算法很简单，与Parallel和CMS的年轻代十分类似，这是一个多线程并行执行的过程，同样需要Stop-The-World（对应上边日志中的Pause Young），停下来所有的工作线程，然后将Eden上存活的对象拷贝到Suvivor区域，这里会将很多个对象从多个不同的区域拷贝到少数的几个区域内，所以这一步在G1中叫做疏散（Evacuation），同时把Suvivor上触及年龄阈值的对象晋升到老年代区域。

老年代回收（concurrent cycle）

G1的老年代回收是在老年代空间触及一个阈值（Initiating Heap Occupancy Percent）之后，这个回收伴随着年轻代的回收工作，但与上边所说的回收有些不同。

1. 年轻代回收：伴随着年轻代的回收工作，同时会执行并发标记和一部分清理的工作，这样可以共用年轻代垃圾回收的Stop-The-World。

   1. 第一次标记：对应一次Pause Initial Mark
      和CMS的步骤类似，首先进行第一次标记。但实现方法上有很大的区别，G1首先对当前堆上的对象情况进行一个虚拟快照（Snapshot-At-The-Beginning），然后根据这个快照对老年代的对象和区域进行标记，并执行之后的垃圾回收。之后像CMS一样会有并发标记的过程。
      这样会产生一个问题，在这次回收结束之后，会有些对象在并发标记的过程中，它的可达性已经变化，导致已经不可达的对象仍然没有被回收。但是这样能带来更好的响应时间。

   2. 重新标记：对应一次Pause Remark
      在这个阶段，G1首先完成上一步开始的标记工作，之后会对特殊引用的对象进行处理（具体可以参考JDK解构 - Java中的引用和动态代理的实现），还有对Metaspace区域进行垃圾回收。这一步会进行Stop-The-World。

   3. 清理：对应一次Pause Cleanup
      这一步主要做的是收集当前堆中的内存区域信息，对空的区域进行回收，为接下来的空间回收做一些准备工作，清理结束之后，通常会伴随着一次年轻代回收，如果判断不需要进行空间回收，则会进入下一个年轻代回收的工作。这一步会进行Stop-The-World。

   4. 具有1-5工作经验的，面对目前流行的技术不知从何下手，需要突破技术瓶颈的可以加群。在公司待久了，过得很安逸，但跳槽时面试碰壁。需要在短时间内进修、跳槽拿高薪的可以加群。如果没有工作经验，但基础非常扎实，对java工作机制，常用设计思想，常用java开发框架掌握熟练的可以加群。java架构群：591240817 一起交流。
      

2. 混合垃圾回收：对应一次或多次Pause Mixed
   主要做的是对老年代的区域内存进行疏散（Evacuation），也包含对年轻代的区域回收工作。同时这一步也会动态地调整IHOP

从对G1的GC日志的分析，可以看到G1的垃圾回收行为是基于一个可预测的模型：GC会不断的主动触发垃圾回收，在这个过程中不断地进行信息统计和系统GC参数的设置，然后将上边这些步骤安排在这些垃圾回收过程中。

大对象的分配

正常情况下，一个对象会在年轻代的Eden中创建，然后通过垃圾回收和年龄管理之后，晋升到老年代。但对于某些比较大的对象，可能会直接分配到老年代去。

对于G1，对象大多数情况都会在Eden上分配，如果JVM判断一个对象为大对象（其阈值可以通过-XX:G1HeapRegionSize来设置），则会直接分配如老年代的大对象区域中。

对于其他的内存区域连续的GC，下面是从StackOverflow上搬运过来的对象在堆上的分配过程：

1. 使用 thread local allocation buffer (TLAB), 如果空间足够，则分配成功。
   从名称便可知，TLAB是线程独占的，所以线程安全，且速度非常快。如果一个TLAB满了，线程会被分配一个新的TLAB。

2. 如果TLAB 空间不够这次分配对象，但其中还有很多空间可用，则不使用TLAB，直接在Eden中分配对象。
   直接在Eden上分配对象要去抢占Eden中的指针操作，其代价较使用TLAB要大一些。

3. 如果Eden的对象分配失败，出发Minor GC。

4. 如果Minor GC完成后还不够，则直接分配到老年代。

一些简单的GC调优方法

1. 使用不同的索引对象

引用的类型会直接影响其所引用对象的GC行为，当要做一些内存敏感的应用时，可以参考使用合适的引用类型。具体可以参考JDK解构 - Java中的引用和动态代理的实现。

2. 使用Parallel

从上文中可知，Java 8默认的GC是Parallel，它也叫Throughput，所以它的目的是尽可能的增加系统的吞吐量。在Parallel里，可以通过参数调节最大停止时间（-XX:MaxGCPauseMillis，默认无设置）和吞吐量（-XX:GCTimeRatio，默认值是99，即最大使用1%的时间来做垃圾回收）来调优GC的行为。其中设置最大停止时间可能会导致GC调节各年龄代分区的尺寸（通过增量来实现）。

3. 使用G1

从Java 9开始G1变成了默认的GC，G1中有一些细节的概念在上文中没有叙述，这里先介绍一下：

1. Remembered Sets（Rsets）：对于每个区域，都有一个集合记录这个区域中所有的引用。
2. G1 refinement：G1中需要有一系列的线程不断地维护Rsets。
3. Collection Sets（Csets）：在垃圾回收中需要被回收的区域，这些区域中的可达对象（活着的对象）会被疏散。这些区域可能是任何年龄代。
4. 写屏障（Write Barriers）：对于每一次赋值操作，G1都会有两个写屏障，写之前（Pre-Write）一个，写之后（Post-Write）一个。Pre-write主要与SATB相关，Post-write主要与Rsets相关
5. Dirty Card Queue：写屏障会将写的记录放入这个队列，会有线程将这里的对象不断的刷入Rsets。
6. Green/Yellow/Red Zone：三个会影响处理Dirty Card Queue线程数的阈值。根据Dirty Card Queue中元素的个数，可以来设置一些GC行为（可以认为是逻辑上将Dirty Card Queue分隔成多个区域）。Green表示超过此阈值则开始新建线程来处理这个队列，Yellow表示超过此阈值，强制启动这些线程，Red表示超过此阈值则会让写操作的线程自己来执行G1 refinement。

G1提供了丰富的基于不同目的的可调优的参数，列表如下：