G1 垃圾回收器

1、G1的设计原则是"首先收集尽可能多的垃圾(Garbage First)"：
   G1并不会等内存耗尽(串行、并行)或者快耗尽(CMS)的时候开始垃圾收集，而是在内部采用了启发式算法，在老年代找出具有高收集收益的分区进行收集。
   同时G1可以根据用户设置的暂停时间目标自动调整年轻代和总堆大小，暂停目标越短年轻代空间越小、总空间就越大；
2、G1采用内存分区(Region)的思路：
   将内存划分为一个个相等大小的内存分区，回收时则以分区为单位进行回收，存活的对象复制到另一个空闲分区中。
   由于都是以相等大小的分区为单位进行操作，因此G1天然就是一种压缩方案(局部压缩)；
   区可分为年轻代(Eden、Survivor)、老年代(Old)、大对象(Humongous)，但每个分区都可能随G1的运行在不同代之间前后切换；
3、G1只有逻辑上的分代概念：
   G1虽然也是分代收集器，但整个内存分区不存在物理上的年轻代与老年代的区别，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。
4、G1的收集都是STW的，但年轻代和老年代的收集界限比较模糊，采用了混合(mixed)收集的方式。
   即每次收集既可能只收集年轻代分区(年轻代收集)，也可能在收集年轻代的同时，包含部分老年代分区(混合收集)，
   这样即使堆内存很大时，也可以限制收集范围，从而降低停顿。
1、分区(Region)：G1采用了分区(Region)的思路，将整个堆空间分成若干个大小相等的内存区域，每次分配对象空间将逐段地使用内存(Region)。
                因此，在堆的使用上，G1并不要求对象的存储一定是物理上连续的，只要逻辑上连续即可；
                每个分区也不会确定地为某个代服务，可以按需在年轻代和老年代之间切换。
                启动时可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize=n可指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的幂)，默认将整堆划分为2048个分区。
2、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分区(Region)中的所有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；
              CardTable每个数组项对应一个Card，里面记录了对应的Card状态，如果当前Card里面存有对象，则将当前Card标记为1，Dirty(脏的)。
              当查找分区(Region)内对象的引用时便可通过记录卡片(RSet)来查找该引用对象。 
              每次对内存的回收，都是对指定分区的卡片(Card)进行处理。             

3、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。
             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。
4、巨型对象(Humongous)：当一个大小达到甚至超过分区(Region)大小一半的对象称为巨型对象(Humongous Object)
    巨型对象会独占一个、或多个连续分区，其中第一个分区被标记为开始巨型(StartsHumongous)，相邻连续分区被标记为连续巨型(ContinuesHumongous)。
    因为巨型对象的移动成本很高，而且有可能一个分区不能容纳巨型对象。因此，巨型对象会直接在老年代分配，所占用的连续空间称为巨型分区(Humongous Region)。
   G1内部做了一个优化，一旦发现没有引用指向巨型对象，则可直接在年轻代收集周期中被回收。
5、已记忆集合(RememberSet、RSet)：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)，记录(PRT)引用分区内对象的卡片(Card)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。
6、PerRegionTable(PRT)：RSet在内部使用Per Region Table(PRT)记录分区(Region)的引用情况(哪些Region对象引用了当前Region的对象)
                        在PRT中将会以三种模式记录引用：
                                1、稀少：  直接记录引用对象的卡片索引
                                2、细粒度：记录引用对象的分区索引
                                3、粗粒度：只记录引用情况，每个分区对应一个比特位

7、收集集合(CollectionSet、CSet)：代表每次 GC 暂停时，要回收的一系列目标分区。
   在任意一次收集暂停中，CSet 所有分区都会被释放，内部存活的对象都会被转移到分配的空闲分区中，无论是年轻代收集，还是混合收集，工作的机制都是一致的。
   年轻代收集CSet只容纳年轻代分区，而混合收集会通过启发式算法，在老年代候选回收分区中，筛选出回收收益最高的分区添加到CSet中。
   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。

8、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，默认15)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。
9、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可能不会一次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。
10、RSet的维护：G1 需要一个增量式的完全标记并发算法，通过维护RSet，得到准确的分区引用信息
               在G1中，RSet的维护主要来源两个方面：写屏障(Write Barrier)和并发优化线程(Concurrence Refinement Threads) 
11、写屏障(Write Barrier)：屏障是指在原生代码片段中，当某些语句被执行时，屏障代码也会被执行(如同SpringAOP)。
               而G1主要在赋值语句中，使用写前屏障(Pre-Write Barrrier)和写后屏障(Post-Write Barrrier)。
                        所谓的写屏障，其实就是指在赋值操作前后，加入一些处理（可以参考AOP的概念）：
                        void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {  
                            pre_write_barrier(field);          // 写屏障-写前操作
                            *field = new_value; 
                            post_write_barrier(field, value);  // 写屏障-写后操作
                        }

12、写前屏障(Pre-Write Barrrier)：即将执行一段赋值语句时，等式左侧对象将修改引用到另一个对象，
                那么等式左侧对象原先引用的对象所在分区将因此丧失一个引用，那么JVM就需要在赋值语句生效之前，记录丧失引用的对象(记录旧的引用对象)
                JVM并不会立即维护RSet，而是通过批量处理，在将来RSet更新(见SATB)。
                        void pre_write_barrier(oop* field) {
                            oop old_value = *field;    // 获取旧值
                            remark_set.add(old_value); // 记录原来的引用对象
                        }
13、写前屏障(Post-Write Barrrier)：当执行一段赋值语句后，等式右侧对象获取了左侧对象的引用，那么等式右侧对象所在分区的RSet也应该得到更新。
                同样为了降低开销，写后屏障发生后，RSet也不会立即更新，同样只是记录此次更新日志，在将来批量处理(见Concurrence Refinement Threads)
                      void post_write_barrier(oop* field, oop new_value) {  
                           remark_set.add(new_value);  // 记录新引用的对象
                      }
14、原始快照算法(Snapshot at the beginning 、SATB)：
                主要针对标记-清除垃圾收集器的并发标记阶段，非常适合G1的分区块的堆结构，同时解决了CMS的主要烦恼：重新标记暂停时间长带来的潜在风险。
                1、SATB会创建一个对象图，相当于堆的逻辑快照，从而确保并发标记阶段所有的垃圾对象都能通过快照被鉴别出来。
                2、当赋值语句发生时，应用将会改变了它的对象图，那么JVM需要记录被覆盖的对象。
                3、因此写前屏障会在引用变更前，将值记录在SATB日志或缓冲区中(每个线程都会独占一个SATB缓冲区，初始有256条记录空间)
                4、当空间用尽时，线程会分配新的SATB缓冲区继续使用，而原有的缓冲去则加入全局列表中。
                5、最终在并发标记阶段，并发标记线程(Concurrent Marking Threads)在标记的同时，还会定期检查和处理全局缓冲区列表的记录，
                6、然后根据标记位图分片的标记位，扫描引用字段来更新RSet。
                此过程又称为并发标记/SATB写前屏障。
1、初始标记(Initial Mark)：负责标记所有能被直接可达的根对象(原生栈对象、全局对象、JNI对象)，根是对象图的起点，此时需要STW(用户线程暂停)
2、并发标记(Concurrent Mark)：和用户线程并发执行，每个线程每次只扫描一个分区，从而标记出存活对象图。    
3、重新标记(Remark)：STW后，去处理剩下的SATB日志缓冲区和所有更新，找出所有未被访问的存活对象，同时安全完成存活数据计算

G1 (Garbage-First、年轻代 + 老年代)
GMS 使用的算法是：三色标记 + Incremental-Update + 写屏障
G1 使用的算法是：三色标记 + SATB + 写屏障
G1 是一款面向服务器的垃圾收集器，主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间要求的同时，还具备高吞吐量性能特征。
G1 是逻辑分代&物理分区模型，这种模型是将堆内存分为物理上的一个个的Region，每个 Region 大小1~32MB（默认为1MB），最多不能超过2048个Region；
 每个Region可以是以下任何一种分代空间，且在同一时间只能是一种分代空间：
G1 特点：
  1、同时注重吞吐量（Throughput）和低延迟（Low latency），默认的暂停目标是 200 ms
  2、超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的 Region(化整为零，对区域进行管理，如可以加快标记速度、复制速度等)
  3、整体上是 标记+整理 算法，两个区域之间是 复制 算法   
知识拓展：
1、G1 将Java堆划分为多个大小相等的独立区域 Region：
 默认Region大小等于堆大小除以2048，比如堆大小为4096M，则Region大小为2M，当然也可以用参数"-XX:G1HeapRegionSize"手动指定Region大小
 Region的区域功能是动态变化的：一个Region可能之前是年轻代，如果Region进行了垃圾回收，之后可能又会变成老年代
2、G1 新生代和老年代不再物理隔离，它们都是(不需要连续)Region的集合:
 E(Eden)、S(Survivor)、O(Old)、H(Humongous) 
 年轻代对堆内存的占比是5%，可以通过 “-XX:G1NewSizePercent” 设置新生代初始占比
 年轻代对堆内存的不会超过60%，可以通过 “-XX:G1MaxNewSizePercent” 调整新生代初始占比
 年轻代中的 Eden、Survivor 对应的 region 也跟之前一样，默认8:1:1
 Humongous区专门存放短期巨型对象，不用直接进老年代，可以节约老年代的空间，避免因为老年代空间不够的GC开销。
3、G1 垃圾收集器对于年轻代的存活对象什么时候会转移到老年代，跟之前讲过的原则一样，唯一不同的是对大对象的处理：
 大对象的判定规则：一个大对象超过了一个Region大小的50%，分配大对象到 Humongous 区
 Full GC的时候除了收集年轻代和老年代之外，也会将Humongous区一并回收。
G1 回收步骤：   
初始标记(initial mark，STW)： 标记那些和GC ROOT直接连接的对象，存在STW，但是STW时间很短
并发标记(Concurrent Marking)：同CMS的并发标记(GC线程和业务线程同时工作，标记出来哪些是垃圾 最终标记)
最终标记(Remark，STW)：       同CMS的重新标记(因为并发标记会造成漏标（三色标记中会讲到），必须重新标记，存在STW)
筛选回收(Cleanup，STW)：回收所有年轻代Region + 部分老年代Region
        因为这个过程中会产生STW，G1为了最大概率满足GC停顿时间的要求，会优先回收那些满足回收条件，
        且STW时间不超过最大停顿时间的老年代Region           
相关 JVM 参数：
-XX:+UseG1GC
-XX:G1HeapRegionSize=size
-XX:MaxGCPauseMillis=time               

以下三个阶段是一个循环的过程：
1、年轻代回收(Minor GC)：Eden 区满的时候进行回收（会 STW）
2、并发标记(Concurrent-mark)：老年代占用堆空间比例达到阈值时，进行并发标记（不会 STW）(该阶段是个并发的标记的过程，顺便清理一点点对象)
3、混合收集(Mixed GC)：真正的清理，发生在"混合模式"，它不只清理年轻代，还会将老年代的一部分区域进行清理。
这三种模式之间的间隔也是不固定的。比如，1次Minor GC之后，发生了一次并发标记，接着发生了9次Mixed GC

新生代垃圾回收（复制算法）：
在 Young GC 时会进行 GC Root 的初始标记
回收过程：
1、将幸存对象复制拷贝进幸存区S
2、幸存区到年龄的对象晋升到老年代，不够年龄的拷贝到新的幸存区

并发标记：
当老年代占用堆空间比例达到阈值时，进行并发标记（不会 STW），由下面的 JVM 参数决定
并发标记：同CMS，只不过遍历范围缩小
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent (默认45%)

混合回收阶段（Mixed GC、复制算法）
默认当老年代占整个堆大小的超过45%，触发MixedGC，回收所有年轻代Region + 部分老年代Region
Mixed GC 会对 E、S、O 进行全面垃圾回收
1、最终标记（Remark）会 STW：因为在并发标记时，用户线程会产生新的对象，存在漏标的情况，需要暂停补标
2、拷贝存活（Evacuation）会 STW
Mixed GC 会根据最大STW时间来有选择的进行垃圾回收：
1、筛选出回收价值最高的区域进行回收
2、一定时间内优先回收垃圾最多的区域
最大暂停时间：-XX:MaxGCPauseMillis=ms