G1 垃圾收集器

作为 JVM 垃圾收集器的里程碑式设计，G1 旨在替代 CMS，解决CMS内存碎片和不可控停顿等核心痛点，同时为现代大内存、多核处理器环境提供更平衡的吞吐量与低延迟表现。

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一、核心设计思想

1. 分区（Region）

• 堆不再物理划分为固定的年轻代（Young）、老年代（Old），而是划分为 大小相等 的 Region（默认约 2048 个，每个 Region 大小为 1MB~32MB）。
• Region 类型动态变化：可随时作为 Eden、Survivor、Old 或 Humongous（存放大对象）区使用。
• 优势：
  • 避免 CMS 的内存碎片问题：通过 复制算法（年轻代）和 标记-整理算法（老年代）在 Region 间移动对象。
  • 更精细的内存管理：可针对部分 Region 回收，避免全堆扫描。

2. 停顿预测

• 核心目标：满足用户设定的 最大停顿时间目标（-XX:MaxGCPauseMillis，默认 200ms）。
• 实现方式：
  • 跟踪每个 Region 的回收价值（可释放空间）与回收成本（复制对象的时间）。
  • 每次回收优先选择 垃圾最多（Garbage-First） 的 Region 集合，在有限时间内释放最大内存。

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二、工作流程

1. 年轻代收集（Young GC）

• 触发条件：Eden 区占满时触发。
• 过程（STW）：
  1. 扫描 GC Roots，标记 Eden 和 Survivor 区的存活对象。
  2. 存活对象复制到新的 Survivor Region（晋升）或 Old Region（达到年龄阈值）。
  3. 清空原有 Eden/Survivor Region，加入空闲列表。
• 特点：并行多线程执行，停顿时间较短。

2. 并发标记周期（Concurrent Marking）

目标：识别老年代 Region 中的垃圾，为混合收集做准备。
阶段（类似 CMS，但基于 Region）：

1. 初始标记（STW）
   • 标记 GC Roots 直接关联的对象。
   • 借道 Young GC：在 Young GC 的 STW 期间同步完成，成本极低。
2. 根区域扫描
   • 扫描 Survivor Region（根区域）到老年代的引用。
   • 需在下次 Young GC 前完成（否则阻塞 Young GC）。
3. 并发标记（Concurrent Mark）
   • 遍历堆，标记所有存活对象（使用 SATB 算法 处理并发修改）。
4. 最终标记（STW）
   • 处理 SATB 缓冲区引用，修正并发标记期间的变动。
5. 筛选回收（STW）
   • 统计各 Region 存活对象占比，排序回收价值。
   • 释放完全空闲的 Region，更新空闲列表。

3. 混合收集（Mixed GC）

• 触发条件：老年代占用达到阈值（-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，默认 45%）。
• 过程：
  • 选择一批 高收益的老年代 Region + 所有年轻代 Region 进行回收。
  • 采用 复制算法：将存活对象移动到空闲 Region（整理内存）。
• 多次执行：直到回收足够内存或达到 MaxGCPauseMillis 目标。

4. Full GC（失败回退）

• 触发条件：
  • 晋升失败（复制对象时目标 Region 不足）。
  • 并发标记周期未完成时堆已占满。
• 行为：退化为单线程的 Serial Old GC（Mark-Compact），停顿极长！
  → 需优化避免 Full GC。

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三、关键技术

1. SATB（Snapshot-At-The-Beginning）

• 解决并发标记漏标问题：
  • 初始标记时对堆做快照，后续标记基于此快照。
  • 并发期间被修改的引用记录到 SATB 缓冲区，最终标记阶段再扫描。
• 优势：比 CMS 的增量更新更高效，减少重新标记工作量。

2. 记忆集（Remembered Set, RSet）

• 问题：跨 Region 引用如何避免全堆扫描？
• 解决：
  • 每个 Region 有一个 RSet，记录 其他 Region 指向本 Region 的引用。
  • 写屏障（Write Barrier）监控引用修改，更新 RSet。
• 作用：回收时只需扫描 RSet，避免遍历整个老年代。

3. 收集集合（Collection Set, CSet）

• 每次 GC 回收的 Region 集合（Young GC 含 Eden+Survivor，Mixed GC 额外加入老年代 Region）。
• 选择策略：优先选择垃圾比例高（Garbage-First）、回收耗时低的 Region。

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四、核心参数与调优

参数	说明
-XX:+UseG1GC	启用 G1 收集器
-XX:MaxGCPauseMillis=200	目标最大停顿时间（软目标，非强制保证）
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45	触发并发标记周期的堆占用阈值
-XX:G1HeapRegionSize=N	手动设置 Region 大小（1MB~32MB，需为 2 的幂）
-XX:G1NewSizePercent / -XX:G1MaxNewSizePercent	年轻代占比范围（默认 5%~60%）
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=85	混合收集中，Old Region 存活对象占比 低于此值 才加入 CSet
-XX:G1MixedGCCountTarget=8	混合 GC 分几次执行完（避免单次停顿过长）
-XX:G1HeapWastePercent=5	可容忍的堆浪费比例，达到则停止混合 GC

调优方向：

1. 优先调整 MaxGCPauseMillis：根据应用需求设定合理值（过低会导致频繁 GC）。
2. 监控避免 Full GC：
   • 增加堆大小或降低 InitiatingHeapOccupancyPercent。
   • 优化对象分配速率（减少大对象、调整晋升年龄）。
3. 关注 RSet 开销：过高的写屏障负担可能拖慢应用（通过 -XX:+G1SummarizeRSetStats 分析）。

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五、G1 vs CMS：核心优势对比

特性	CMS	G1
内存布局	连续分代（Young/Old）	分区模型（Region）
算法	标记-清除（产生碎片）	复制+标记-整理（无碎片）
停顿控制	不可预测	可预测（软实时目标）
大堆处理	性能下降明显	更适合大堆（4GB~数十GB）
Full GC 风险	高（碎片+并发失败）	低（设计规避，仍有回退）
适用版本	Java 1.4~8（14 移除）	Java 7u4+，JDK 9+ 默认收集器

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六、缺点

1. 内存占用更高：
   • RSet 和 Card Table 占用额外空间（约堆的 10%~20%）。
2. 写屏障开销：
   • 监控引用修改有 CPU 成本（尤其引用密集型应用）。
3. 小堆不适用：
   • Region 管理和元数据开销在小堆（<4GB）中占比过高。

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七、优化与替代方案

• ZGC / Shenandoah：
  新一代超低停顿（亚毫秒级）收集器，适用于 TB 级堆。核心创新：
  • ZGC：染色指针 + 并发压缩。
  • Shenandoah：并发复制 + 读屏障。
• G1 仍在优化：
  JDK 12+ 引入特性如：
  • 及时返回未用内存（-XX:+G1UncommitDelay）。
  • 并行 Full GC（JDK 10+，避免单线程停顿）。

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总结

G1 是面向服务端应用的里程碑式垃圾收集器，它通过分区、停顿预测和并发标记-整理算法，在延迟可控性、吞吐量和堆容量之间取得了平衡：

1. ✅ 解决 内存碎片 问题
2. ✅ 提供 可预测的停顿时间
3. ✅ 适应 大内存场景（4GB~数十GB）

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