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Garbage First介绍  

2013-07-05 11:47:23|  分类: JVM/ HotSpot |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文摘自《构建高性能的大型分布式Java应用》一书。

Garbage First简称G1,它的目标是要做到尽量减少GC所导致的应用暂停的时间,让应用达到准实时的效果,同时保持JVM堆空间的利用率,将作为CMS的替代者在JDK 7中闪亮登场,其最大的特色在于允许指定在某个时间段内GC所导致的应用暂停的时间最大为多少,例如在100秒内最多允许GC导致的应用暂停时间为1秒,这个特性对于准实时响应的系统而言非常的吸引人,这样就再也不用担心系统突然会暂停个两三秒了。

G1要做到这样的效果,也是有前提的,一方面是硬件环境的要求,必须是多核的CPU以及较大的内存(从规范来看,512M以上就满足条件了),另外一方面是需要接受吞吐量的稍微降低,对于实时性要求高的系统而言,这点应该是可以接受的。

为了能够达到这样的效果,G1在原有的各种GC策略上进行了吸收和改进,在G1中可以看到增量收集器和CMS的影子,但它不仅仅是吸收原有GC策略的优点,并在此基础上做出了很多的改进,简单来说,G1吸收了增量GC以及CMS的精髓,将整个jvm Heap划分为多个固定大小的region,扫描时采用Snapshot-at-the-beginning的并发marking算法(具体在后面内容详细解释)对整个heap中的region进行mark,回收时根据region中活跃对象的bytes进行排序,首先回收活跃对象bytes小以及回收耗时短(预估出来的时间)的region,回收的方法为将此region中的活跃对象复制到另外的region中,根据指定的GC所能占用的时间来估算能回收多少region,这点和以前版本的Full GC时得处理整个heap非常不同,这样就做到了能够尽量短时间的暂停应用,又能回收内存,由于这种策略在回收时首先回收的是垃圾对象所占空间最多的region,因此称为Garbage First

看完上面对于G1策略的简短描述,并不能清楚的掌握G1,在继续详细看G1的步骤之前,必须先明白G1对于JVM Heap的改造,这些对于习惯了划分为new generationold generation的大家来说都有不少的新意。

G1Heap划分为多个固定大小的region,这也是G1能够实现控制GC导致的应用暂停时间的前提,region之间的对象引用通过remembered set来维护,每个region都有一个remembered setremembered set中包含了引用当前region中对象的region的对象的pointer,由于同时应用也会造成这些region中对象的引用关系不断的发生改变,G1采用了Card Table来用于应用通知region修改remembered setsCard Table由多个512字节的Card构成,这些CardCard Table中以1个字节来标识,每个应用的线程都有一个关联的remembered set log,用于缓存和顺序化线程运行时造成的对于card的修改,另外,还有一个全局的filled RS buffers,当应用线程执行时修改了card后,如果造成的改变仅为同一region中的对象之间的关联,则不记录remembered set log,如造成的改变为跨region中的对象的关联,则记录到线程的remembered set log,如线程的remembered set log满了,则放入全局的filled RS buffers中,线程自身则重新创建一个新的remembered set logremembered set本身也是一个由一堆cards构成的哈希表。

尽管G1Heap划分为了多个region,但其默认采用的仍然是分代的方式,只是仅简单的划分为了年轻代(young)和非年轻代,这也是由于G1仍然坚信大多数新创建的对象都是不需要长的生命周期的,对于应用新创建的对象,G1将其放入标识为youngregion中,对于这些region,并不记录remembered set logs,扫描时只需扫描活跃的对象,G1在分代的方式上还可更细的划分为:fully youngpartially youngfully young方式暂停的时候仅处理young regionspartially同样处理所有的young regions,但它还会根据允许的GC的暂停时间来决定是否要加入其他的非young regionsG1是运行到fully-young方式还是partially young方式,外部是不能决定的,在启动时,G1采用的为fully-young方式,当G1完成一次Concurrent Marking后,则切换为partially young方式,随后G1跟踪每次回收的效率,如果回收fully-young中的regions已经可以满足内存需要的话,那么就切换回fully young方式,但当heap size的大小接近满的情况下,G1会切换到partially young方式,以保证能提供足够的内存空间给应用使用。

除了分代方式的划分外,G1还支持另外一种pure G1的方式,也就是不进行代的划分,pure方式和分代方式的具体不同在下面的具体执行步骤中进行描述。

掌握了这些概念后,继续来看G1的具体执行步骤:

1.         Initial Marking

G1对于每个region都保存了两个标识用的bitmap,一个为previous marking bitmap,一个为next marking bitmapbitmap中包含了一个bit的地址信息来指向对象的起始点。

开始Initial Marking之前,首先并发的清空next marking bitmap,然后停止所有应用线程,并扫描标识出每个regionroot可直接访问到的对象,将regiontop的值放入next top at mark startTAMS)中,之后恢复所有应用线程。

触发这个步骤执行的条件为:

l  G1定义了一个JVM Heap大小的百分比的阀值,称为h,另外还有一个HH的值为(1-h)*Heap Size,目前这个h的值是固定的,后续G1也许会将其改为动态的,根据jvm的运行情况来动态的调整,在分代方式下,G1还定义了一个u以及soft limitsoft limit的值为H-u*Heap Size,当Heap中使用的内存超过了soft limit值时,就会在一次clean up执行完毕后在应用允许的GC暂停时间范围内尽快的执行此步骤;

l  pure方式下,G1markingclean up组成一个环,以便clean up能充分的使用marking的信息,当clean up开始回收时,首先回收能够带来最多内存空间的regions,当经过多次的clean up,回收到没多少空间的regions时,G1重新初始化一个新的markingclean up构成的环。

2.         Concurrent Marking

按照之前Initial Marking扫描到的对象进行遍历,以识别这些对象的下层对象的活跃状态,对于在此期间应用线程并发修改的对象的以来关系则记录到remembered set logs中,新创建的对象则放入比top值更高的地址区间中,这些新创建的对象默认状态即为活跃的,同时修改top值。

3.         Final Marking Pause

当应用线程的remembered set logs未满时,是不会放入filled RS buffers中的,在这样的情况下,这些remebered set logs中记录的card的修改就会被更新了,因此需要这一步,这一步要做的就是把应用线程中存在的remembered set logs的内容进行处理,并相应的修改remembered sets,这一步需要暂停应用,并行的运行。

4.         Live Data Counting and Cleanup

值得注意的是,在G1中,并不是说Final Marking Pause执行完了,就肯定执行Cleanup这步的,由于这步需要暂停应用,G1为了能够达到准实时的要求,需要根据用户指定的最大的GC造成的暂停时间来合理的规划什么时候执行Cleanup,另外还有几种情况也是会触发这个步骤的执行的:

l  G1采用的是复制方法来进行收集,必须保证每次的”to space”的空间都是够的,因此G1采取的策略是当已经使用的内存空间达到了H时,就执行Cleanup这个步骤;

l  对于full-youngpartially-young的分代模式的G1而言,则还有情况会触发Cleanup的执行,full-young模式下,G1根据应用可接受的暂停时间、回收young regions需要消耗的时间来估算出一个yound regions的数量值,当JVM中分配对象的young regions的数量达到此值时,Cleanup就会执行;partially-young模式下,则会尽量频繁的在应用可接受的暂停时间范围内执行Cleanup,并最大限度的去执行non-young regionsCleanup

这一步中GC线程并行的扫描所有region,计算每个region中低于next TAMS值中marked data的大小,然后根据应用所期望的GC的短延时以及G1对于region回收所需的耗时的预估,排序region,将其中活跃的对象复制到其他region中。

 

G1为了能够尽量的做到准实时的响应,例如估算暂停时间的算法、对于经常被引用的对象的特殊处理等,G1为了能够让GC既能够充分的回收内存,又能够尽量少的导致应用的暂停,可谓费尽心思,从G1的论文中的性能评测来看效果也是不错的,不过如果G1能允许开发人员在编写代码时指定哪些对象是不用mark的就更完美了,这对于有巨大缓存的应用而言,会有很大的帮助,G1将JDK 6 Update 14 beta发布。
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