G1混合式GC与三色标记算法详解【纯理论】

继续基于上一次https://www.cnblogs.com/webor2006/p/11146273.html的理论进一步了解G1。

G1收集概览：

G1算法将堆划分为若干个区域（Region），它仍然属于分代收集器。不过，这些区域的一部分包含新生代，新生代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间。老年代也分成很多区域，G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有CMS内存碎片问题的存在了。

Humongous区域：

在G1中，还有一种特殊的区域，叫Humongous区域。如果一个对象占用的空间达到或者超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

G1 Young GC:

• Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。在这种情况下，Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。最终Eden空间的数据为空，GC完成工作，应用线程继续执行。
• 如果仅仅GC新生代对象，我们如何找到所有的根对象呢？老年代的所有对象都是根么？那这样扫描下来会耗费大量的时间。于是,G1引进了RSet的概念。它的全称是Remembered Set，作用是跟踪指向某个heap区内的对象引用。下面看图：
  

• 在CMS中，也有RSet的概念，在老年代中有一块区域用来记录指向新生代的引用。这是一种point-out，在进行Young GC时，扫描根时，仅仅需要扫描这一块区域，而不需要扫描整个老年代。 

• 但在G1中，并没有使用point-out，这是由于一个分区太小，分区数量太多，如果是用point-out的话，会造成大量的扫描浪费，有些根本不需要GC的分区引用也扫描了。
• 于是G1中使用point-in来解决。point-in的意思是哪些分区引用了当前分区中的对象。这样，仅仅将这些对象当做根来扫描就避免了无效的扫描。
• 由于新生代有多个，那么我们需要在新生代之间记录引用吗？这是不必要的，原因在于每次GC时，所有新生代都会被扫描，所以只需要记录老年代到新生代之间的引用既可。
• 需要注意的是，如果引用的对象很多，赋值器需要对每个引用做处理，赋值器开销会很大，为了解决赋值器开销这个问题，在G1中又引入了另外一个概念，卡表（Card Table）。一个Card Table将一个分区在逻辑上划分为固定大小的连续区域，每个区域称之为卡。卡通常较小，介于128到512字节之间。Card Table通常为字节数组，由Card的索引（既数组下标）来标识每个分区的空间地址。
• 默认情况下，每个卡都未被引用。当一个地址空间被引用时，这个地址空间对应的数组索引的值被标记为“0”，既标记为被引用，此外RSet也将这个数组下标记录下来。一般情况下，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。

另外它分为下几个阶段：

• 阶段1：根扫描
  表态和本地对象被扫描
• 阶段2：更新RS
  处理dirty card队列更新RS
• 阶段3：处理RS
  检测从年轻代指向老年代的对象
• 阶段4：对象拷贝
  拷贝存活的对象到survivor/old区域
• 阶段5：处理引用队列
  软引用、弱引用、虚引用处理

再谈Mixed GC:

• Mixed GC不仅进行正常的新生代垃圾收集，同时也回收部分后台扫描线程标记的老年代分区。
• 这的GC步骤分为两步：
  1、全局并发标记（global concurrent marking）
  2、拷贝存活对象（evacuation）
• 在G1 GC中，global concurrent marking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，这个在之前已经学习过了，回忆一下：
  

三色标记算法：

• 提到并发标记，我们不得不了解并发标记的三色标记算法。它是描述追踪式回收器的一种有效的方法，利用它可以推演回收器的正确性。 
• 我们将对象分成三种类型：
  1、黑色：根对象，或者该对象与它的子对象都被扫描过（对象被标记了，且它的所有field也被标记完了）。
  2、灰色：对象本身被扫描，但还没扫描完该对象中的子对象（它的field还没有被标记或标记完）。
  3、白色：未被扫描对象，扫描完成所有对象之后，最终为白色的为不可达对象，既垃圾对象（对象没有被标记到）。