G1调优时可调整的参数

最近线上服务运行比较缓慢，老大提出让我进行JVM优化。GC的内容很多，也不可能一时间全部都掌握，今天就要看看G1的一些知识，还有调优时可调整的参数。

1.G1简介

G1的全称为 Garbage First Garbage Collector, 是一款内置在HotSpot JVM中的服务端垃圾收集器。

G1是作为CMS的替代产品出现的，其目标是在满足最短时间停顿的同时达到一个高吞吐量，适用于多核处理器，大内存容量的系统。

其特点如下：

• 短停顿时间且可控。对内存进行分区，可以应用在大内存系统中，其使用了基于内存的新生代收集和混合收集。
• 高吞吐量。设计了新的并发标记线程，并发处理分区之间的引用关系，加快垃圾回收速度。

1.1分区

G1垃圾回收器将堆内存划分成固定大小的Region,下图为G1内存的分配示意图，其中灰色格子代表一个region。

其中G1的分区可以分为4类：

1. 自由分区（Free Heap Region， FHR）
2. 新生代分区（Young Heap Region ， YHR） 新生代也分为Eden 和Survivor区
3. 大对象分区（Humongous Heap Region，HHR） 大对象区可分为 大对象头分区和大对象连续分区，大对象一般占Region的一半以上。
4. 老生代分区（Old Heap Region，OHR）

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Region可以在1MB~32MB,且为2的N次幂，设定分区大小有以下方法：

• 可以通过-XX:G1HeapRegionSize=<>来指定大小，默认为0.
• 默认情况下是将整个堆分为2048个Region。

1.1.1 新生代大小

新生代大小的设置如下：

• 如果设置了最大值 （MaxNewSize） 和最小值（NewSize）， Xmn 等价于MaxNewSize
• 如果设置了最大值和最小值，又设置了NewRatio 则忽略NewRatio
• 如果没有设置新生代最大值和最小值，但是设置了NewRatio 则新生代的最大值最小值是相同的，都是整个堆空间的 （NewRatio+1）
• 如果没有设置新生代最大值和最小值，或者只设置了最大值或者最小值中的一个，那么G1将根据参数G1MaxNewSizePrecent（默认值60） 和 G1NewSizePercent （默认值5）占整个堆空间的比例计算最大值和最小值。

关于堆大小的参数优化：

• G1HeapRegionSize 可以指定堆的大小，可指定也可以有内存管理启发推断分区大小。
• xms/xmx 指定堆空间的最小值/最大值， 一定要设置正确的值，否则会影响分区大小推断。
• G1不要设置MaxNewSize，NewSize，Xmn, NewRatio，即不要显示的设置年轻代的大小 。G1对内存的管理不是连续的，所以即使重新分配一个堆分区的代价不大；G1的目标满足垃圾收集停顿，这需要G1根据停顿时间动态调整收集的分区，如果设置了固定的分区数，G1不能调整新生代的大小，则不容易满足停顿时间的需求。
• GCTimeRatio指的是GC与应用程序之间的时间占比，默认值是9，表示GC与程序的时间占比为90%，增大该值将减少GC占用时间，增大该值则动态扩展内存会更容易发生。

2.G1 GC可优化参数

G1提供了两种GC模式，Young GC 和 Mixed GC 两种GC都会有STW.

Young GC

主要是对Eden区进行GC ，一般情况下，会在Eden Region使用达到最大阈值时，空间内存不够用时，触发YoungGC。每次Young GC会回收所有的Eden 和Serviour区，并且将存活对象复制到Old区以及一些Survivor区。

Mixed GC

Mixed GC 会选取（并发标记）所有的 Young Region和 回收收益较高的一些 Old Region， 然后进行年轻代回收算法。

混合回收分为两个阶段。

• 并发标记
• 垃圾回收

其中并发标记阶段可以分为以下几个子阶段：

• 初始标记子阶段：标记所有直接可达的根对象，此阶段会STW，
• 并发标记子阶段：YoungGC 执行完成之后，如果满足并发标记的的条件（已分配及将要分配的内存占总内存的比例超过阈值之后），就进行并发标记，其中-XX:ConcGCThreads 控制并发标记线程数量，一个线程每次扫描一个Region。此时标记存活对象，
• 再标记子阶段：找出所有未被访问的存活对象，此过程为并发执行，并且会有STW，其中-XX:ParallelGCThreads可指定GC暂停时可用的GC线程数。
• 清理子阶段：需要STW，存活对象计数，整理标记位图，释放完全空闲的分区。

混合回收阶段的参数优化：

• 参数InitiatingHeapOccupancyPercent（IHOP），默认值时45， 此值时启动并发标记的先决条件，只有已分配内存占总空间超过45%之后，才会启动并发标记任务。增加此值，将导致并发标记可能花费更多的时间，也会让YGC或者MixedGC时收集的分区变少，这样就会导致更多的Full GC。这个值可以根据整体应用占用的平均内存来设置，可以把该值设置的比平均内存稍微高一点。IHOP的设置效果很明显，但是要设置合理的值并不容易，需要更多的性能测试来判断。
• 参数G1ReservePercent， 默认值是10，如果GC晋升失败导致FullGC，则可以调大该值
• 参数ConcGCThreads为并发线程数，默认值为0，如果未设置，可以动态调整，并且使用ParallelGCThreads为依据来推断，如果并发标记耗时较大，可以增大并发线程数。
• HeapSizePerGCThread 默认为64M，表示每64M分配一个线程
• 参数UseDynamicNumberOfGCThreads，默认为false，设为true表示可以动态调整线程数，调整范围会根据最大线程数，HeapSizePerGCThread确定。
• 参数GCDrainStackTargetSize，默认值为64，表示并发标记子阶段，一次标记最多标记的最多对象个数。
• 参数GCMixedGCLiveThresholdPercent 默认值85，用于判断分区能否被加入到CSet中，低于该值将会被加入。
• 参数G1HeapWastePercent 默认值5，即当Cset中可回收空间 占总空间的比例大于G1HeapWastePercent才会开始混合回收。
• 参数G1MixedGCCountTarget，默认值为8，这个参数越大，收集老年代的分区越少，反之收集的分区就越多，尽量保持老年代分区在Cset中的比例超过1/G1MixedGCCountTarget。
• 参数G1OldCSetRegionThresholdPercent 默认值为10，表示最多收集10%的分区。
• 参数G1ConcMarkStepDurationMillis 默认值为10，表示每个并发标记子阶段最多执行10ms

FullGC发生之后，基本都是串行回收. 如果不幸发生了FullGC， 那么我们能做的就是尽量让FullGC尽快完成，然后降低其频率。但是通常情况下，比较固定且较长时间间隔的FullGC是被允许的。

那么FullGC相关也是有一些优化调整的地方：

• 使用参数MinHeapFreeRatio 用于判断是否可以扩展堆空间，增大该值扩展的概率就会变小。
• MaxHeapFreeRatio 判断是否可以收缩空间，增大该值收缩的概率也会变小。
• MarkSweepAlwaysCompactCount 默认值为4，这个值表示经过一定次数的GC之后，允许当前区域中一定比例的死亡对象当作存活对象处理，暂时不回收，从而加快FullGC的处理流程。这个比例可以使用MarkSweepDeadRatio来修改，默认值为5.

总结

以上是一些优化参数的使用，至于具体调优的目的要根据我们各个程序的要求。一般而言需要满足最大的吞吐量和最小的暂停时间，GC频率尽量低，堆空间的有效利用率高等。可调整的部分有内存参数的优化，引用的处理（Rset），并发标记（Mark），垃圾回收部分。

Oracle官方有一些推荐调优的方向：

• 针对年轻代的设置，尽量避免明确的设置年轻代的大小（使用-Xmn，-XX:NewRatio等），固定的年轻代大小会覆盖最小停顿时间的目标。
• 对于暂停时间的目标，我们需要考虑平衡延迟和吞吐量，两者不可兼得，所以需要找到一个最佳的平衡点。
• 混合回收阶段的优化参数可以考虑率使用 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 修改内存占用比（具体可以参考前文）， -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent 和 -XX:G1HeapWastePercent 改变混合垃圾回收的策略，-XX:G1MixedGCCountTarget 和 -XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent 调整老年代在CSet中的占比