G1的基本概念

分区

分区(Heap Region, HR)或称堆分区，是G1堆和操作系统交互的最小管理单位。
G1的分区类型大致可以分为四类：

1.自由分区

2.新生代分区

3.大对象分区

4.老生代分区

其中新生代分区又可以分为Eden和Survivor;大对象分区又可以分为：大对象头分区和大对象连续分区。

堆分区默认大小计算方式 ↓

// 判断是否是设置过堆分区大小，如果有则使用;
//没有，则根据初始内存和最大分配内存，获得平均值，并根据HR的个数得到分区的大小，和分区的下限比较，取两者的最大值。
void HeapRegion::setup_heap_region_size(size_t initial_heap_size, size_t max_heap_size) {uintx region_size = G1HeapRegionSize;if (FLAG_IS_DEFAULT(G1HeapRegionSize)) {size_t average_heap_size = (initial_heap_size + max_heap_size) / 2;region_size = MAX2(average_heap_size / TARGET_REGION_NUMBER,(uintx) MIN_REGION_SIZE);}//对region_size按2的幂次对齐，并且保证其落在上下限范围内。int region_size_log = log2_long((jlong) region_size);// Recalculate the region size to make sure it's a power of// 2. This means that region_size is the largest power of 2 that's// <= what we've calculated so far.region_size = ((uintx)1 << region_size_log);//确保region_size落在[1MB,32MB]之间// Now make sure that we don't go over or under our limits.if (region_size < MIN_REGION_SIZE) {region_size = MIN_REGION_SIZE;} else if (region_size > MAX_REGION_SIZE) {region_size = MAX_REGION_SIZE;}// 根据region_size 计算一些变量，比如卡表大小// And recalculate the log.region_size_log = log2_long((jlong) region_size);// Now, set up the globals.guarantee(LogOfHRGrainBytes == 0, "we should only set it once");LogOfHRGrainBytes = region_size_log;guarantee(LogOfHRGrainWords == 0, "we should only set it once");LogOfHRGrainWords = LogOfHRGrainBytes - LogHeapWordSize;guarantee(GrainBytes == 0, "we should only set it once");// The cast to int is safe, given that we've bounded region_size by// MIN_REGION_SIZE and MAX_REGION_SIZE.GrainBytes = (size_t)region_size;guarantee(GrainWords == 0, "we should only set it once");GrainWords = GrainBytes >> LogHeapWordSize;guarantee((size_t) 1 << LogOfHRGrainWords == GrainWords, "sanity");guarantee(CardsPerRegion == 0, "we should only set it once");CardsPerRegion = GrainBytes >> CardTableModRefBS::card_shift;

按照默认值计算,G1可以管理的最大内存为
2048 X 32MB =64GB。假设设置xms=32G，xmx=128G，则每个堆分区的大小为32M，分区个数动态变化范围从1024到4096个。

region_size的一半以上的大对象直接进入老生代。

新生代大小

新生代大小指的是新生代内存空间的大小，前面提到的G1新生代大小按分区组织，首先需要计算整个新生代的大小。

如果G1推断出最大值和最小值相等，那么说明新生代不会动态变化，即代表G1在后续对新生代垃圾回收的时候可能不满足期望停顿的时间。

//初始化新生代大小参数，根据不同的jvm参数判断计算新生代大小，供后续使用。
G1YoungGenSizer::G1YoungGenSizer() : _sizer_kind(SizerDefaults), _adaptive_size(true),_min_desired_young_length(0), _max_desired_young_length(0)    {
//如果设置了NewRatio且同时设置NewSize或MaxNewSize的情况下，则NewRatio被忽略        if (FLAG_IS_CMDLINE(NewRatio)) {if (FLAG_IS_CMDLINE(NewSize) || FLAG_IS_CMDLINE(MaxNewSize)) {warning("-XX:NewSize and -XX:MaxNewSize override -XX:NewRatio");} else {_sizer_kind = SizerNewRatio;_adaptive_size = false;return;}}//参数传递有问题，最小值大于最大值if (NewSize > MaxNewSize) {if (FLAG_IS_CMDLINE(MaxNewSize)) {warning("NewSize (" SIZE_FORMAT "k) is greater than the MaxNewSize (" SIZE_FORMAT "k). ""A new max generation size of " SIZE_FORMAT "k will be used.",NewSize/K, MaxNewSize/K, NewSize/K);}MaxNewSize = NewSize;}//根据参数计算分区个数if (FLAG_IS_CMDLINE(NewSize)) {_min_desired_young_length = MAX2((uint) (NewSize / HeapRegion::GrainBytes),1U);if (FLAG_IS_CMDLINE(MaxNewSize)) {_max_desired_young_length =MAX2((uint) (MaxNewSize / HeapRegion::GrainBytes),1U);_sizer_kind = SizerMaxAndNewSize;_adaptive_size = _min_desired_young_length == _max_desired_young_length;} else {_sizer_kind = SizerNewSizeOnly;}} else if (FLAG_IS_CMDLINE(MaxNewSize)) {_max_desired_young_length =MAX2((uint) (MaxNewSize / HeapRegion::GrainBytes),1U);_sizer_kind = SizerMaxNewSizeOnly;}
}//使用G1NewSizePercent来计算新生代的最小值
uint G1YoungGenSizer::calculate_default_min_length(uint new_number_of_heap_regions) {uint default_value = (new_number_of_heap_regions * G1NewSizePercent) / 100;return MAX2(1U, default_value);
}//使用G1MaxNewSizePercent来计算新生代的最大值
uint G1YoungGenSizer::calculate_default_max_length(uint new_number_of_heap_regions) {uint default_value = (new_number_of_heap_regions * G1MaxNewSizePercent) / 100;return MAX2(1U, default_value);
}//这里根据不同的参数输入来计算大小
//recalculate_min_max_young_length在初始化时被调用，在堆空间改变时也会被调用
void G1YoungGenSizer::recalculate_min_max_young_length(uint number_of_heap_regions, uint* min_young_length, uint* max_young_length) {assert(number_of_heap_regions > 0, "Heap must be initialized");switch (_sizer_kind) {case SizerDefaults:*min_young_length = calculate_default_min_length(number_of_heap_regions);*max_young_length = calculate_default_max_length(number_of_heap_regions);break;case SizerNewSizeOnly:*max_young_length = calculate_default_max_length(number_of_heap_regions);*max_young_length = MAX2(*min_young_length, *max_young_length);break;case SizerMaxNewSizeOnly:*min_young_length = calculate_default_min_length(number_of_heap_regions);*min_young_length = MIN2(*min_young_length, *max_young_length);break;case SizerMaxAndNewSize:// Do nothing. Values set on the command line, don't update them at runtime.break;case SizerNewRatio:*min_young_length = number_of_heap_regions / (NewRatio + 1);*max_young_length = *min_young_length;break;default:ShouldNotReachHere();}

另一个问题，分配新的分区时何时拓展，一次拓展多少内存？
G1是自适应拓展空间的。

参数-XX:GCTimeRatio表示GC与应用耗费时间比，G1中默认为9，计算方式为_gc_overhead_perc = 100.0x(1.0/(1.0+GCTimeRatio)),即G1 GC时间与应用时间占比不超过10%时不需要动态拓展。

size_t G1CollectorPolicy::expansion_amount() {
//根据历史信息获取平均GC时间double recent_gc_overhead = recent_avg_pause_time_ratio() * 100.0;double threshold = _gc_overhead_perc;//G1 GC时间与应用时间占比超过阈值才需要动态扩展//这个阈值的值为10% 上文提过计算方式if (recent_gc_overhead > threshold) {// We will double the existing space, or take// G1ExpandByPercentOfAvailable % of the available expansion// space, whichever is smaller, bounded below by a minimum// expansion (unless that's all that's left.)const size_t min_expand_bytes = 1*M;size_t reserved_bytes = _g1->max_capacity();size_t committed_bytes = _g1->capacity();size_t uncommitted_bytes = reserved_bytes - committed_bytes;size_t expand_bytes;size_t expand_bytes_via_pct =uncommitted_bytes * G1ExpandByPercentOfAvailable / 100;expand_bytes = MIN2(expand_bytes_via_pct, committed_bytes);expand_bytes = MAX2(expand_bytes, min_expand_bytes);expand_bytes = MIN2(expand_bytes, uncommitted_bytes);......} else {return 0;}
}
//G1内存拓展时间书后面部分会介绍

G1停顿预测模型

G1是一个响应优先的GC算法，用户可以设定期望停顿时间由参数MaxGCPauseMills控制，默认值为200ms。
G1会在这个目标停顿时间内完成垃圾回收的工作。

G1使用停顿预测模型来满足期望，预测逻辑基于衰减平均值和衰减标准差。

卡表和位图

GC最早引入卡表是为了对内存的引用关系做标记，从而根据引用关系快速遍历活跃对象。

可以借助位图的方式，记录内存块之间的引用关系。用一个位来描述一个字，我们只需要判定位图里面的位是否有1，有的话则认为发生了引用。

以位为粒度的位图能准确描述每一个字的引用关系，但是包含信息太少，只能描述两个状态:引用和未被引用。但是如果增加一个字节来描述状态，则位图需要256kb的空间，这个数字太大，开销占了25%。所以一个可能的做法是位图不再描述一个字，而是一个区域，JVM使用512字节作为单位，用一个字节描述512字节的引用关系。

G1中还使用了bitmap,用bitmap可以描述一个分区对另外一个分区的引用情况，也可以描述内存分配的情况。

并发标记时也使用了bitmap来描述对象的分配情况。

对象头

java代码首先被翻译成字节码(bytecode)，在JVM执行时才能确定要执行函数的地址，如何实现java的多态调用，最直观的想法是把java对象映射成C++对象或者封装成C++对象，比如增加一个额外的对象头，里面指向一个对象，而这个对象存储了java代码的地址。

所以JVM设计了对象的数据结构来描述java对象，这个结构分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充 。

而我们刚才提到的类似虚指针的东西就可以放在对象头中，而JVM设计者还利用对象头来描述更多信息，对象的锁信息、GC标记信息等。

class oopDesc {friend class VMStructs;private:volatile markOop  _mark;union _metadata {Klass*      _klass;narrowKlass _compressed_klass;} _metadata;//静态变量用于快速访问BarrierSetstatic BarrierSet* _bs;

1.标记信息

第一部分标记信息位于MarkOop。

以下三种情况时要保存对象头：
1.使用了偏向锁，并且偏向锁被设置了
2.对象被加锁了
3.对象被设置了hash_code

2.元数据信息

第二部分元数据信息字段指向的是Klass对象(Klass对象是元数据对象，如Instance Klass 描述java对象的类结构)，这个字段也和垃圾回收有关系。

内存分配和管理

JVM通过操作系统的系统调用进行内存的申请，典型的就是mmap。

mmap使用PAGE_SIZE为单位来进行映射，而内存也只能以页为单位进行映射，若要映射非PAGE_SIZE整数倍的地址范围，要先进行内存对齐，强行映射。

操作系统对内存的分配管理典型的分为两个阶段：
保留和提交。

保留阶段告知系统从某一地址开始到后面的dwSize大小的连续虚拟内存需要供程序使用,进程其他分配内存的操作不得使用这段内存；

提交阶段将虚拟地址映射到对应的真实物理地址中，这样这块内存就可以正常使用。

JVM常见对象类型

ResourceObj：线程有一个资源空间，一般ResourceObj都位于这里。定义资源空间的目的是对JVM其他功能的支持，如CFG、在C1/C2优化时可能需要访问运行时信息（这些信息可以保存在线程的资源区）。

StackObj：栈对象，声明的对象使用栈管理。其实例对象并不提供任何功能，且禁止New/Delete操作。对象分配在线程栈中，或者使用自定义的栈容器进行管理。

ValueObj：值对象，该对象在堆对象需要进行嵌套时使用，简单地说就是对象分配的位置和宿主对象（即拥有）是一样的。

AllStatic: 静态对象，全局对象，只有一个。值得一提的是C++初始化没有通过规范保证，可能会有两个静态对象相互依赖的问题，初始化时可能会出错。JVM中很多静态对象初始化都是显示调用静态初始化函数。

MetaspaceObj: 元对象，比如InstanceKlass这样的元数据就是元对象。

CHeapObj:
这是堆空间的对象，由new/delete/free/malloc管理。其中包含的内容很多，比如java对象、InstanceOop（后面提到的G1对象分配出来的对象）。除了Java对象，还有其他的对象也在堆中。

  mtNone              = 0x0000,  // undefinedmtClass             = 0x0100,  // JVM中java类mtThread            = 0x0200,  // JVM中线程对象mtThreadStack       = 0x0300,mtCode              = 0x0400,  // JVM中生成的编译代码mtGC                = 0x0500,  // GC的内存mtCompiler          = 0x0600,  // 编译器使用的内存mtInternal          = 0x0700,  // JVM中内部使用的类型，不属于上述类型。mtOther             = 0x0800,  // 不是由JVM使用的内存mtSymbol            = 0x0900,  //符号表使用内存mtNMT               = 0x0A00,  // mNMT使用内存mtChunk             = 0x0B00,  // chunk用于缓存mtJavaHeap          = 0x0C00,  // Java 堆mtClassShared       = 0x0D00,  // 共享类数据mtTest              = 0x0E00,  // Test type for verifying NMTmtTracing           = 0x0F00,  // memory used for Tracingmt_number_of_types  = 0x000F,  // number of memory types (mtDontTrack// is not included as validate type)mtDontTrack         = 0x0F00,  // memory we do not or cannot trackmt_masks            = 0x7F00,

线程

JVM线程图如上

JavaThread：就是要执行Java代码的线程，比如Java代码的启动会创建一个JavaThread运行；对于Java代码的启动，可以通过JNI_CreateJavaVM来创建一个JavaThread，而对于一般的Java线程，都是调用java.lang.thread中的start方法，这个方法通过JNI调用创建JavaThread对象，完成真正的线程创建。

CompilerThread：执行JIT的线程。

WatcherThread：执行周期性任务，JVM里面有很多周期性任务，例如内存管理中对小对象使用了ChunkPool，而这种管理需要周期性的清理动作Cleaner；JVM中内存抽样任务MemProf?ilerTask等都是周期性任务。

NameThread：是JVM内部使用的线程，分类如图2-1所示。

VMThread：JVM执行GC的同步线程，这个是JVM最关键的线程之一，主要是用于处理垃圾回收。简单地说，所有的垃圾回收操作都是从VMThread触发的，如果是多线程回收，则启动多个线程，如果是单线程回收，则使用VMThread进行。

VMThread提供了一个队列，任何要执行GC的操作都实现了VM_GC_Operation，在JavaThread中执行VMThread::execute(VM_GC_Operation)把GC操作放入到队列中，然后再用VMThread的run方法轮询这个队列就可以了。

当这个队列有内容的时候它就开始尝试进入安全点，然后执行相应的GC任务，完成GC任务后会退出安全点

ConcurrentGCThread：并发执行GC任务的线程，比如G1中的ConcurrentMark
Thread和ConcurrentG1RefineThread，分别处理并发标记和并发Refine，这两个线程将在混合垃圾收集和新生代垃圾回收中介绍。

WorkerThread：

工作线程，在G1中使用了FlexibleWorkGang，这个线程是并行执行的（个数一般和CPU个数相关），所以可以认为这是一个线程池。

线程池里面的线程是为了执行任务（在G1中是G1ParTask），也就是做GC工作的地方。VMThread会触发这些任务的调度执行（其实是把G1ParTask放入到这些工作线程中，然后由工作线程进行调度）。

JVM线程状态：

//新创建线程
case NEW
: return "NEW";
//可运行或者正在运行
case RUNNABLE                 : return "RUNNABLE";
//调用Thread.sleep()进入睡眠
case SLEEPING                 : return "TIMED_WAITING (sleeping)";
//调用Object.wait()进入等待
case IN_OBJECT_WAIT           : return "WAITING (on object monitor)";
//调用Object.wait(long)进入等待且有过期时间
case IN_OBJECT_WAIT_TIMED     : return "TIMED_WAITING (on object monitor)";
//JVM内部调用LockSupport.park()进入等待
case PARKED                   : return "WAITING (parking)";
//JVM内部调用LockSupport.park()进入等待，且有过期时间
case PARKED_TIMED             : return "TIMED_WAITING (parking)";
//进入一个同步块
case BLOCKED_ON_MONITOR_ENTER : return "BLOCKED (on object monitor)";
//终止
case TERMINATED               : return "TERMINATED";
default                       : return "UNKNOWN";

操作系统的线程状态：

  ALLOCATED,                    // 分配了但未初始化INITIALIZED,                  // 初始化完未启动RUNNABLE,                     //  已经启动并可被执行或者正在运行MONITOR_WAIT,                 // 等待一个MonitorCONDVAR_WAIT,                 // 等待一个条件变量OBJECT_WAIT,                  // 通过调用Object.wait()等待对象BREAKPOINTED,                 //调式状态SLEEPING,                     // 通过Thread.sleep()进入睡眠ZOMBIE                        // 僵尸状态，等待回收

栈帧

栈帧(frame)在线程执行时和运行过程中用于保存线程的上下文数据，JVM设计了栈帧，这是垃圾回收中国最重要的根，栈帧的结构在不同的CPU中并不相同，在x86中代码如下所示：

  _pc = NULL;//程序计数器，指向下一个要执行的代码地址_sp = NULL;//栈顶指针_unextended_sp = NULL;//异常栈顶指针_fp = NULL;//栈底指针_cb = NULL;//代码块的地址_deopt_state = unknown;//这个字段描述从编译代码到解释代码反优化的状态

栈帧也和GC密切相关，在GC过程中，通常第一步就是遍历根，Java线程栈帧就是根元素之一，遍历整个栈帧的方式是通过StackFrameStream，其中封装了一个next指针，其原理和上述的代码一样通过sender来获得调用者的栈帧。

我们将Java的栈帧来作为根遍历堆，对对象进行标记并收集垃圾。

句柄

线程不但可以执行java代码，也可以执行本地代码（JVM里的代码）。JVM没有区分Java栈和本地方法栈，如果通过栈进行处理则必须要区分这两种情况。

JVM设计了handleArea，这是一块线程的资源区，在这个区域分配句柄并管理所有的句柄,如果函数还在调用中，那么句柄有效，句柄关联的对象也就是活跃对象。

为了管理句柄的生命周期，引入了HandleMark，通常HandleMark分配在栈上，在创建HandleMark的时候标记handleArea对象有效，在HandleMark对象析构的时候从HandleArea中删除对象的引用。

在HandleMark中标记Chunk的地址，这个就是找到当前本地方法代码中活跃的句柄，因此也就可以找到对应的活跃的OOP对象。下面是HandleMark的构造函数和析构函数，它们的主要工作就是构建句柄链表，代码如下所示：