G1回收器的工作机制
G1回收器的工作机制
G1（Garbage First）是JVM中一款里程碑式的垃圾回收器，它在Java 9成为默认GC。它的设计目标是：在可控的停顿时间内，尽可能高地实现吞吐量，同时避免CMS的碎片问题和传统分代GC的大停顿。
一、G1的核心设计思想
G1与传统分代GC最大的区别是：不再物理划分新生代和老年代，而是将整个堆划分为多个大小相等的Region。
1. Region化堆内存
传统分代堆： +-------------------------------+---------------------+ | 新生代 | 老年代 | | Eden | S0 | S1 | | +-------------------------------+---------------------+ G1堆（逻辑上仍分代，但物理上混合）： +----+----+----+----+----+----+----+----+----+ | E | O | S | H | E | O | O | E | F | +----+----+----+----+----+----+----+----+----+ | O | E | S | H | O | F | E | O | S | +----+----+----+----+----+----+----+----+----+ E=Eden S=Survivor O=Old H=Humongous(大对象) F=Free(空闲)Region大小：通常为1MB-32MB之间（2的幂次方，通过
-XX：G1HeapRegionSize设定），整个堆通常划分为约2048个Region。逻辑分代：G1仍然区分年轻代和老年代，但它们是Region的动态集合，不是连续的内存块。
Humongous Region：大小超过Region容量50%的对象，存入专门的巨型Region，避免移动开销。
2. 停顿预测模型
G1的独特之处：它维护一个停顿预测模型，基于历史数据，可以预测在某个时间内（如200ms）能回收多少内存。
可控停顿：通过
-XX：MaxGCPauseMillis设置期望最大停顿时间（默认200ms）。动态调整：G1会动态调整年轻代大小、回收策略，尽量满足此目标。
二、G1的工作阶段
G1将GC分为两大类：年轻代GC和混合GC。
1. 年轻代GC（Young GC）
触发条件：Eden区占满时触发。
工作流程：
标记根对象：从GC Roots出发，找到存活对象。
复制存活对象：将Eden和Survivor中的存活对象，复制到新的Survivor Region或晋升到Old Region。
回收原Region：一次性清空原来的Eden和Survivor Region，变为空闲状态。
特点：
使用复制算法，无碎片。
STW（Stop The World）发生，但停顿时间通常很短（因为存活对象少）。
完全并发的不多，但G1通过多线程并行复制来减少停顿。
初始状态： [E] [E] [E] [S] [O] [O] [F] [F] Young GC后： [F] [F] [F] [S'] [O+] [O] [F] [F] ↑ 新Survivor/晋升2. 并发标记周期（Concurrent Marking Cycle）
这是G1最复杂的部分，不产生STW或者极小STW地标记出老年代中的存活对象，为后续的混合GC做准备。
包含多个子阶段：
阶段1：初始标记（Initial Mark）- STW
标记所有从GC Roots直接可达的对象。
借机完成：通常在Young GC时顺带完成，代价很小。
阶段2：根区域扫描（Root Region Scan）
扫描Survivor Region中指向老年代的引用。
这个阶段是并发执行的（不暂停应用线程）。
阶段3：并发标记（Concurrent Mark）- 并发
从GC Roots开始，并发地遍历整个堆的对象图，标记所有存活对象。
这个过程对应用线程影响小，但可能产生浮动垃圾（标记过程中新产生的垃圾）。
阶段4：最终标记（Final Remark）- STW
STW，处理并发标记阶段遗漏的少量引用变更（通过SATB算法确保完整性）。
相比CMS的最终标记，G1的效率更高。
阶段5：清理（Cleanup）- STW
统计每个Region的存活对象数量和回收价值。
不实际回收，只是标记哪些Region可以完全回收（存活对象为0）。
根据停顿预测模型，按价值高低对Region排序，准备混合GC。
3. 混合GC（Mixed GC）
触发时机：并发标记完成后，老年代占堆的比例达到阈值（-XX：InitiatingHeapOccupancyPercent，默认45%）。
核心特点：不仅回收年轻代，还回收部分老年代Region。
工作流程：
选择Region集合（CSet）：根据停顿预测模型，从高价值Region集合中，选出本次GC要回收的Region。包括：
所有年轻代Region
部分老年代Region（价值最高的那些）
复制存活对象：
将CSet中所有Region的存活对象，复制到其他空闲Region。
这相当于一次全局复制，对象可能从年轻代到年轻代、年轻代到老年代、老年代到老年代。
回收原Region：清空整个CSet，释放大量内存。
多次执行：一次并发标记周期后，可能会触发多次混合GC，每次回收一部分高价值老年代Region，直到老年代内存占用低于阈值。
并发标记后，按价值排序： Region: O5(价值高) O3(价值高) O8(价值中) O2(价值低) ... 第一次混合GC：回收 O5, O3 + 所有年轻代Region 第二次混合GC：回收 O8 + 当前年轻代Region ...4. Full GC
触发条件：
混合GC无法跟上对象分配速度（老年代增长太快）。
巨型对象分配失败（Humongous Region无法找到连续空间）。
并发标记周期失败。
后果：最严重的STW，G1会退化到Serial Old算法，单线程进行全堆标记-整理-压缩。
目标：通过调优参数，尽量避免Full GC发生。
三、G1的关键技术点
1. SATB（Snapshot-At-The-Beginning）
G1在并发标记开始时，会对对象图拍一个"逻辑快照"。标记过程中，即使引用发生变化（比如删除了某个引用），G1仍然会保留该引用指向的对象为"存活"。
优点：避免CMS中复杂的增量更新，实现简单。
代价：可能产生浮动垃圾（本应回收但被保留的对象），需要后续GC处理。
2. Remembered Set（RSet）
每个Region内部维护一个RSet，记录哪些Region引用了本Region中的对象。
Region A中的对象obj被Region B和Region C引用 Region A的RSet = [B, C]作用：
Young GC时，不需要扫描整个堆，只需扫描RSet中记录的Region。
实现并行化和分代独立回收。
维护开销：写屏障（Write Barrier）在引用赋值时更新RSet，略有性能损耗。
3. 停顿预测模型
G1维护一个历史数据库，记录每次GC的：
Region扫描时间
对象复制时间
更新RSet时间
基于这些数据，建立一个线性回归模型，预测回收N个Region需要的时间，从而在制定CSet时做到"停顿可控"。
四、G1 vs CMS vs Parallel GC
| 特性 | G1 | CMS | Parallel GC |
|---|---|---|---|
| 设计目标 | 可控停顿时间 | 低停顿 | 高吞吐量 |
| 堆布局 | Region化 | 连续分代 | 连续分代 |
| 内存碎片 | 无（复制+整理） | 有（标记-清除） | 无（整理） |
| 停顿时间 | 可预测（默认200ms） | 较低 | 较高（Full GC很长） |
| 吞吐量 | 中等 | 较低 | 最高 |
| 内存开销 | 较高（RSet占5%-10%） | 中等 | 低 |
| 适用场景 | 大堆（4GB+）、响应重要 | 中堆、响应重要 | 高吞吐、可接受停顿 |
选择建议：
G1：堆 > 4GB，期望停顿 < 1秒，Java 9+默认。
Parallel GC：堆 < 4GB，或吞吐优先（如批处理）。
ZGC：堆 > 32GB，期望停顿 < 10ms（Java 11+）。
五、G1调优示例
# 设置期望最大停顿时间（G1会尽量满足） -XX：MaxGCPauseMillis=200 # 设置堆大小和Region大小 -Xmx8g -XX：G1HeapRegionSize=16m # 触发混合GC的堆占用阈值（避免过早/过晚） -XX：InitiatingHeapOccupancyPercent=45 # 并行线程数 -XX：ParallelGCThreads=8 -XX：ConcGCThreads=2 # 启用G1日志 -Xlog：gc*：file=g1-gc.log：time,level,tags调优方向：
停顿时间设置不当：太短（<50ms）可能频繁GC，太长（>500ms）可能失去G1意义。
Humongous对象问题：大量大对象会直接进入老年代，加速Full GC。可以通过调整Region大小或代码优化解决。
RSet内存占用：G1的RSet可能占堆内存5%-10%，避免过多跨Region引用。