为什么 JVM 需要 GC详解编程语言

社区内有人发起了一个讨论，关于JVM是否一定需要GC？他们认为应用程序的回收目标是构建一个仅用来处理内存分配，而不执行任何真正的内存回收操作的 GC。即仅当可用的 Java 堆耗尽的时候，才进行顺序的 JVM 停顿操作。

首先需要理解为什么需要GC。随着应用程序所应对的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序正常进行。而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。

社区的需求是尽量减少对应用程序的正常执行干扰，这也是业界目标。Oracle在JDK7时发布G1 GC的目的是为了减少应用程序停顿发生的可能性，让我们通过本文来了解G1 GC所做的工作。

JVM发展历史简介

还记得机器猫吗？他和康夫有一张书桌，书桌的抽屉其实是一个时空穿梭通道，让我们操作机器猫的时空机器，回到1998年。那年的12月8日，第二代Java平台的企业版J2EE正式对外发布。为了配合企业级应用落地，1999年4月27日，Java程序的舞台—Java HotSpot Virtual Machine（以下简称HotSpot ）正式对外发布，并从这之后发布的JDK1.3版本开始，HotSpot成为Sun JDK的默认虚拟机。

GC发展历史简介

1999年随JDK1.3.1一起来的是串行方式的Serial GC ，它是第一款GC，并且这只是起点。此后，JDK1.4和J2SE1.3相继发布。2002年2月26日，J2SE1.4发布，Parallel GC 和Concurrent Mark Sweep （CMS）GC跟随JDK1.4.2一起发布，并且Parallel GC在JDK6之后成为HotSpot默认GC。

HotSpot有这么多的垃圾回收器，那么如果有人问，Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC这三个GC有什么不同呢？请记住以下口令：

• 如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选Serial GC；
• 如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel GC；
• 如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS GC。

那么问题来了，既然我们已经有了上面三个强大的GC，为什么还要发布Garbage First（G1）GC？原因就在于应用程序所应对的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序正常进行，而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。

为什么名字叫做Garbage First（G1）呢？

因为G1是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区间（Region），每个区间可以属于老年代或者年轻代，并且每个年龄代区间可以是物理上不连续的。

老年代区间这个设计理念本身是为了服务于并行后台线程，这些线程的主要工作是寻找未被引用的对象。而这样就会产生一种现象，即某些区间的垃圾（未被引用对象）多于其他的区间。

垃圾回收时实则都是需要停下应用程序的，不然就没有办法防治应用程序的干扰 ，然后G1 GC可以集中精力在垃圾最多的区间上，并且只会费一点点时间就可以清空这些区间里的垃圾，腾出完全空闲的区间。

绕来绕去终于明白了，由于这种方式的侧重点在于处理垃圾最多的区间，所以我们给G1一个名字：垃圾优先（Garbage First）。

G1 GC基本思想

G1 GC是一个压缩收集器，它基于回收最大量的垃圾原理进行设计。G1 GC利用递增、并行、独占暂停这些属性，通过拷贝方式完成压缩目标。此外，它也借助并行、多阶段并行标记这些方式来帮助减少标记、重标记、清除暂停的停顿时间，让停顿时间最小化是它的设计目标之一。

G1回收器是在JDK1.7中正式投入使用的全新的垃圾回收器，从长期目标来看，它是为了取代CMS 回收器。G1回收器拥有独特的垃圾回收策略，这和之前提到的回收器截然不同。从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区，但从堆的结构上看，它并不要求整个Eden区、年轻代或者老年代在物理上都是连续。

综合来说，G1使用了全新的分区算法，其特点如下所示：

1. 并行性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力；
2. 并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况；
3. 分代GC：G1依然是一个分代收集器，但是和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代；
4. 空间整理：G1在回收过程中，会进行适当的对象移动，不像CMS只是简单地标记清理对象。在若干次GC后，CMS必须进行一次碎片整理。而G1不同，它每次回收都会有效地复制对象，减少空间碎片，进而提升内部循环速度。
5. 可预见性：由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。

随着G1 GC的出现，GC从传统的连续堆内存布局设计，逐渐走向不连续内存块，这是通过引入Region概念实现，也就是说，由一堆不连续的Region组成了堆内存。其实也不能说是不连续的，只是它从传统的物理连续逐渐改变为逻辑上的连续，这是通过Region的动态分配方式实现的，我们可以把一个Region分配给Eden、Survivor、老年代、大对象区间、空闲区间等的任意一个，而不是固定它的作用，因为越是固定，越是呆板。

G1 GC垃圾回收机制

通过市场的力量，不断淘汰旧的行业，把有限的资源让给那些竞争力更强、利润率更高的企业。类似地，硅谷也在不断淘汰过时的人员，从全世界吸收新鲜血液。经过半个多世纪的发展，在硅谷地区便形成只有卓越才能生存的文化。本着这样的理念，GC承担了淘汰垃圾、保存优良资产的任务。

G1 GC在回收暂停阶段会回收最大量的堆内区间（Region），这是它的设计目标，通过回收区间达到回收垃圾的目的。这里只有一个例外情况，这个例外发生在并行标记阶段的清除（Cleanup）步骤，如果G1 GC在清除步骤发现所有的区间都是由可回收垃圾组成的，那么它会立即回收这些区间，并且将这些区间插入到一个基于LinkedList实现的空闲区间队列里，以待后用。因此，释放这些区间并不需要等待下一个垃圾回收中断，它是实时执行的，即清除阶段起到了最后一道把控作用。这是G1 GC和之前的几代GC的一大差别。

G1 GC的垃圾回收循环由三个主要类型组成：

• 年轻代循环
• 多步骤并行标记循环
• 混合收集循环
• Full GC

在年轻代回收期，G1 GC暂停应用程序线程，然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间，也有可能是两个区间都会涉及。对于一个混合回收期，G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。

G1的区间设计灵感

为了加快GC的回收速度，HotSpot的历代GC都有自己的不同的设计方案，区间概念在软件设计、架构领域并不是一个新名词，关系型数据库、列式数据库最先使用这个概念提升数据存、取速度，软件架构设计时也广泛使用这样的分区概念加快数据交换、计算。

为什么会有区间这个设计想法？大家一定看过电视剧《大宅门》吧？大宅门所描述的北京知名医术世家白家是这本电视剧的主角。白家有三兄弟，没有分家之前，由老爷子一手掌管全家，老爷子看似是个精明人，实质是个糊涂的人，否则也不会弄得后来白家家破人散。白家的三兄弟在没有分家之前，老大一家很老实，老二很懦弱，性格像女人，虽然肚子里明白道理，但是不敢出来做主。老三年轻时混蛋一个，每次出外采购药材都要私吞家里的银两，造成账目混乱。老大为了家庭和睦，一直在私下倒贴银两，让老爷子能够看到一本正常的账目。这样的一家子聚在一起，迟早家庭内部会出现问题，倒不如分家，你也不用算计家里的钱了，分给你，分给你的钱有本事守住，没本事就一直拮据下去吧。这就是最原始的分区（Region）概念。

我们回到技术，看看HBase的RegionServer设计方式。在HBase内部，所有的用户数据以及元数据的请求，在经过Region的定位，最终会落在RegionServer上，并由RegionServer实现数据的读写操作。RegionServer是HBase集群运行在每个工作节点上的服务。它是整个HBase系统的关键所在，一方面它维护了Region的状态，提供了对于Region的管理和服务；另一方面，它与Master交互，上传Region的负载信息上传，参与Master的分布式协调管理。

HRegionServer与HMaster以及Client之间采用RPC协议进行通信。HRegionServer向HMaster定期汇报节点的负载状况，包括RS内存使用状态、在线状态的Region等信息。在该过程中HRegionServer扮演了RPC客户端的角色，而HMaster扮演了RPC服务器端的角色。HRegionServer内置的RpcServer实现了数据更新、读取、删除的操作，以及Region涉及到Flush、Compaction、Open、Close、Load文件等功能性操作。

Region是HBase数据存储和管理的基本单位。HBase使用RowKey将表水平切割成多个HRegion，从HMaster的角度，每个HRegion都纪录了它的StartKey和EndKey（第一个HRegion的StartKey为空，最后一个HRegion的EndKey为空），由于RowKey是排序的，因而Client可以通过HMaster快速的定位每个RowKey在哪个HRegion中。HRegion由HMaster分配到相应的HRegionServer中，然后由HRegionServer负责HRegion的启动和管理，和Client的通信，负责数据的读(使用HDFS)。每个HRegionServer可以同时管理1000个左右的HRegion。

再来看看软件系统架构方面的分区设计。以任务调度为例，假设我们有一个中心调度服务，那么当数据量不断增多，这个中心调度服务一定会遇到性能瓶颈，因为所有的请求都会最终指向它。为了解决这个性能瓶颈，我们可以将任务调度拆分为多个服务，即这多个服务都可以处理任务调度工作，那么问题来了，每个任务调度服务处理的源数据是否需要完全一致？

根据华为公司发布的专利发明，显示他们对于每一个任务调度服务有数据来源区分的操作，即按照任务调度数量对源数据进行划分，比如3个任务调度服务，那么源数据按照行号对3取余的方式划分，如果运行了一段时间之后，任务调度服务出现了数量上的增减，那么这个取余划分需要重新进行，要按照那个时候的任务调度数量重新划分区间。

回到G1。在G1中，堆被平均分成若干个大小相等的区域（Region）。每个Region都有一个关联的Remembered Set（简称RS），RS的数据结构是Hash表，里面的数据是Card Table （堆中每512byte映射在card table 1byte）。

简单的说RS里面存在的是Region中存活对象的指针。当Region中数据发生变化时，首先反映到Card Table中的一个或多个Card上，RS通过扫描内部的Card Table得知Region中内存使用情况和存活对象。在使用Region过程中，如果Region被填满了，分配内存的线程会重新选择一个新的Region，空闲Region被组织到一个基于链表的数据结构（LinkedList）里面，这样可以快速找到新的Region。

总结

没有GC机制的JVM是不能想象的，我们只能通过不断优化它的使用、不断调整自己的应用程序，避免出现大量垃圾，而不是一味认为GC造成了应用程序问题。

G1GC优化参考文档

作者介绍

周明耀，2004年毕业于浙江大学，工学硕士，国外投资银行12年工作经验，4年分布式系统、物联网工作经验，10年技术团队管理经验。IBM开发者论坛专家作者、InfoQ专栏作者，著有《大话Java性能优化》、《深入理解JVM&G1 GC》，提交分布式计算领域发明专利超过15项。