JVM G1 源码分析（一）- 分区Heap Region

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1. 简介

G1（Garbage-First Collector）是一种垃圾回收算法，最早在JDK 6 Update 14中作为实验性功能加入，并在JDK 7 Update 4正式JDK，之后在JDK 9 中成为默认垃圾回收算法，在JDK 10中优化了Full GC性能。

G1是面向服务器的垃圾收集器，针对于多核处理器、大堆的服务器场景。它可以满足短停顿的同时支持高吞吐量。

本文及随后几篇文章将分析G1源码和核心原理。

2. 分区Heap Region介绍

G1的堆空间管理与JVM之前常用的串行、并行、CMS等垃圾回收算法有很大的区别。串行、并行、CMS中，堆空间是连续的，或者粗粒度的划分为新生代（eden / survivor）、老年代、永久代。

  • CMS堆空间
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随着计算机硬件的发展，服务器堆内存越来越大，旧时代的垃圾回收算法处理大堆时，性能较差且停顿（STW）时间不可控。

G1将堆拆分成一系列的分区（Heap Region），这样垃圾回收算法在大部分场景下仅需处理一部分HR，而不是整个老年代。极大的提升了收集效率，并使得JVM可以精细控制STW的时间。
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3. 分区Heap Region代码分析

分区（HR）是G1堆空间的最小管理单位。我们从HR入手开始分析源码。

3.1 heapRegionType.hpp

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JVM G1 源码分析01 分区 && 空间分配 && RememberSet && DirtyCard
郭传志的博客
06-02 1008
HR的大小影响分配和回收的效率，HR过大则回收消费的时间长，HR过小则导致对象内存分配较慢且内存利用率较低。 HR大小上下限定义在heapRegionBounds中，最小1MB，最大32MB。HR的size必须是2的幂次，即仅可为1MB、2MB、4MB、8MB、16MB、32MB。 JVM参数-XX:G1HeapRegionSize可以指定HR size，如果未指定，JVM根据实际情况动态决定。 HR数量默认为2048。 计算HR size的逻辑主要在setup_heap_region_siz...
JVM G1 源码分析（七）- Full GC
860MHz的专栏
08-05 3148
1. 简介 当晋升失败、疏散失败、大对象分配失败、Evac失败时，有可能触发Full GC，在JDK10之前，Full GC是串行的，JEP 307: Parallel Full GC for G1之后引入了并行Full GC。本文主要介绍并行Full GC机制。 2. 源码分析 Full GC的入口在g1CollectedHeap.cpp的G1CollectedHeap::do_full_col...
垃圾收集器G1&ZGC详解
weixin_58611042的博客
06-24 1007
XX:G1HeapWastePercent(默认5%): gc过程中空出来的region是否充足阈值，在混合回收的时候，对Region回收都是基于复制算法进行的，都是把要回收的Region里的存活对象放入其他Region，然后这个Region中的垃圾对象全部清理掉，这样的话在回收过程就会不断空出来新的Region，一旦空闲出来的Region数量达到了堆内存的5%，此时就会立即停止混合回收，意味着本次混合回收就结束了。不同的是对大对象的处理，G1有专门分配大对象的Region叫Humongous区。
JVM G1源码分析——新生代回收
qq_16500963的博客
09-24 795
YGC算法主要分为两部分：并行部分和其他部分。我们根据YGC的执行顺序来看一下整个收集过程的主要步骤。1）进行收集之前需要STW。2）选择要收集的CSet，对于YGC来说整个新生代分区就是CSet。根扫描并处理；处理过程会把根直接引用的对象复制到新的Survivor区，然后把被引用对象的field入栈等待后续的复制处理。处理老生代分区到新生代分区的引用；
JVM G1源码分析（一）——卡表和位图
qq_16500963的博客
08-06 945
借助额外的数据结构描述这种引用关系，例如使用类似位图（bitmap）的方法，记录A和B的内存块之间的引用关系，用一个位来描述一个字，假设在32位机器上（一个字为32位），需要32KB（32KB×32=1M）的空间来描述一个分区。那么我们就可以在这个对象ObjA所在分区A里面添加一个额外的指针，这个指针指向另外一个分区B的位图，如果我们可以把对象ObjA和指针关系进行映射，那么当访问ObjA的时候，顺便访问这个额外的指针，从这个指针指向的位图就能找到被ObjA引用的分区B对应的内存块。
JVM G1 源码分析和调优（1）
1999的博客
12-10 531
JVM G1 源码分析和调优jvm常见术语 jvm常见术语 术语 描述 并行（parallelism） 指两个或多个事件在同一时刻发生，在现代计算机中通常指多台处理器上同时处理多个任务 并发（concurrency） 指两个或多个事件在同一时间间隔发生 ParNew 并发收集器 CMS 并发标记清除 JVM中的并行 指多个垃圾回收相关线程在操作系统之上并发运行，这里的并行强调的是只有立即回收线程工作，Java应用都暂停执行，因此parNew工作的时候一定发生STW JVM
JVM G1 源码分析（三）- Remembered Sets
860MHz的专栏
07-25 3765
1. 简介 记录集Remembered Sets简称RSet，用于记录对象在不同分区之间的引用关系，目的是为了加速垃圾回收的速度，主要是加速标记阶段。 本文将详细介绍RSet的结构。 通常的，有两种记录引用关系的方式，PointOut和PointIn。 如果obj1.field1=obj2，如果是PointOut方式，则在obj1所在region的RSet记录obj2的位置；如果是PointIn方...
JVM G1 源码分析（六）- 混合式GC
860MHz的专栏
08-01 1836
1. 简介 YGC整个过程都在STW下进行，出于减少停顿时间的考量，对于老年代的回收显然需要与Mutator同时进行，G1引入了混合式GC，与CMS算法类似，均采用了并发标记。 混合式回收主要分为如下子阶段： 初始标记子阶段 并发标记子阶段 再标记子阶段 清理子阶段 垃圾回收 2. 算法概览 2.1 标记算法概览 由于混合式GC使用的是并发标记，Mutator可能会随时改变对象引用关系，从而导...
JVM G1源码分析——记忆集(RSet)
qq_16500963的博客
09-21 1307
同时，除了新生代的回收是需要选择所有新生代的region，老年代的回收，是需要找性价比高的region来回收的，也就是选择一部分去回收，那么选择一部分回收的时候，还要去整个分代对应的这么一大块儿引用关系数据，去做遍历，筛选，才能拿到需要的数据。针对region这个维度，是因为，每次回收之后，老年代，新生代，大对象区域的region可能都会变化，所以，如果说，对每个分代都搞一份儿的话，不太合理，因为region不断的在变化，同时也会有并发问题，效率问题。当新生代的对象被老年代引用，则此对象就不能回收。
panda白话 - G1垃圾收集器 - Mixed GC - 初始标记（根分区扫描）源码分析
FightingITPanda的博客
12-10 1289
G1垃圾收集 - Mixed GC: 初始标记阶段 - Initial Mark 并发标记阶段 - Concurrent Mark 最终标记阶段 - Remark 清理阶段 - Clean Up 初始标记阶段 - Initial Mark - 根标记 特性： STW 以Young GC后的survivor分区作为根进行扫描 扫描的是survivor 分区到老年代Region对象的引用 所以Mixed GC 一定发生在Young GC 之后 根分区扫描步骤： scanRootRegions扫描所.
JVM G1 源码分析（二）- 对象的堆空间分配
860MHz的专栏
07-23 2031
1. 简介 当开发者使用JAVA语言实例化一个对象时，排除JIT的标量替换等优化手段，该对象会在JAVA Heap上分配存储空间。 分配空间时，为了提高JVM的运行效率，应当尽量减少临界区范围，避免全局锁。G1的通常的应用场景中，会存在大量的Mutator同时执行，为减少锁冲突，引入了TLAB（线程本地分配缓冲区 Thread Local Allocation Buffer）机制。 G1支持基于T...
G1的基本概念（G1源码分析和调优读书笔记）
qq_43811135的博客
10-23 1993
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
GC垃圾收集器G1
qq1071643762的博客
04-08 751
JVM系列文章目录 提示：强大的垃圾回收器 文章目录JVM系列文章目录前言一、G1收集器(-XX:+UseG1GC)被视为JDK1.7以上版本Java虚拟机的一个重要进化特征。它具备以下特点： 前言 提示：G1（Garbadge First Collector）作为一款JVM最新的垃圾收集器，可以解决CMS中Concurrent Mode Failed问题，尽量缩短处理超大堆的停顿，在G1进行垃圾回收的时候完成内存压缩，降低内存碎片的生成。G1在堆内存比较大的时候表现出比较高吞吐量和短暂的停顿时间，而
JVM虚拟机——G1垃圾收集器分区Region
前尘忆梦Memory的博客
09-23 4654
G1之前的垃圾收集器都会将堆分成三个部分，新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation），根据不同的分区类型，采用不同的策略进行回收。 G1仍然保留新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是固定的了，它们都是一系列区域（不需要连续）的动态集合。G1把连续的Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），每一个Region都可以作为新生代的Eden空间、Survivor空间，或者老年代空间。G1堆和操作系统
JVM参数杂记之： G1之REGION SIZE
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涛哥大数据小屋
12-08 1万+
MIN_REGION_SIZE：允许的最小的REGION_SIZE，即1M，不可能比1M还小； MAX_REGION_SIZE：允许的最大的REGION_SIZE，即32M，不可能比32M更大；限制最大REGION_SIZE是为了考虑GC时的清理效果； TARGET_REGION_NUMBER：JVM对堆期望划分的REGION数量，而不是实际划分的REGION数量； 如果配置了XX:G1Heap...
还在为学不会JVM&G1烦恼吗？看阿里P8源码分析笔记，你想要的都有
老男孩的架构路
09-17 240
G1是目前最成熟的垃圾回收器，已经广泛应用在众多公司的生产环境中。我们知道，CMS作为使用最为广泛的垃圾回收器，也有令人头疼的问题，即如何对其众多的参数进行正确的设置。G1的目标就是替代CMS,所以在设计之初就希望降低程序员的负担，减少人工的介人。但这并不意味着我们完全不需要了解G1的原理和参数调优。 相信很多朋友们在实际工作中，遇到过一些因参数设置不正确而导致GC停顿时间过长的问题。但要正确设置参数并不容易
G1垃圾回收器REGION SIZE说明
zhangjunli的博客
02-02 5719
说明：JDK7和JDK8的Region划分实现略有不同（差异非常小，且只有-Xmx和-Xms的值不一样才有区别），本篇文章讲解的是JDK8中Region的划分实现；如果要了解JDK7的Region划分实现，请参考JDK7 headpRegion.cpp 源码分析 G1 Region划分的实现源码在headpRegion.cpp中，摘取部分核心源码如下： // Minimum re...
G1 参数设置
实践求真知
07-31 2667
一 参数设置 -XX:+UseG1GC：手动指定使用 G1 垃圾收集器执行内存回收任务。 -XX:G1HeapRegionSize： 设置每个 Region 的大小。值是2的幂，范围是 1MB 到 32MB 之间，目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。 -XX:MaxGCPauseMillis：设置期望达到的最大 GC 停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到）。默认值是200ms。 -XX:+ParallelGCThr
JVM 原型
最新发布
07-12
<think>嗯，用户这次问的是JVM的基本原理和架构设计，看来是想系统性地理解Java虚拟机的底层机制。从对话历史看，用户之前研究过布隆过滤器，还关注过JVM扩展机制、内存溢出等细节（引用[1][2]），应该是有一定Java开发经验的工程师，可能正在准备面试或做性能优化。 用户提供的引用材料里有些关键线索：引用[1]提到电商平台通过扩展JVM模块提升吞吐量，引用[2]聚焦内存分区和GC机制，引用[3]则涉及G1回收器和调优实战。这些都需要架构层面的支撑，所以我会从设计哲学切入，再分层解析。 JVM的设计核心其实是“平台无关性”和“内存管理自动化”。就像建造跨海大桥，既要让各种车辆（字节码）通行无阻，又要自动处理潮汐（内存回收）。具体分三层展开： 1. 类加载器像智能海关，用双亲委派制保障安全（引用[4]提到打破委派，这里需要解释常规机制）； 2. 运行时数据区如同城市功能区规划，引用[2]问到的Eden/Survivor比例就是新生代“住宅区”的容积率问题； 3. 执行引擎则是交通调度系统，JIT编译相当于把慢速绿皮车（解释执行）升级成高铁（本地代码）。 内存模型部分要重点强调“可见性”设计（引用[2]提到happen-before），用工作内存缓冲避免所有线程都挤到主内存“市中心”造成拥堵。GC机制则结合引用[2][3]，对比CMS和G1的路面清扫策略——CMS是紧急突击队，G1是城市规划师。 最后补充两个实用锚点：引用[3]的HashMap优化案例说明JVM如何加速对象访问，引用[1]的扩展案例体现架构弹性。这样既能回答原理，又串联起用户已有的知识碎片。 生成的问题要覆盖进阶场景：类加载漏洞利用（安全方向）、GC日志分析（运维方向）、JIT反汇编（编译器方向），满足不同角色需求。</think>### JVM 原理与架构设计深度解析 Java虚拟机（JVM）是Java生态的**核心执行引擎**，其设计遵循“一次编写，到处运行”的理念。以下是分层架构与核心原理： --- #### 一、JVM 核心设计目标 1. **平台无关性** 通过字节码（`.class`文件）作为中间层，实现跨平台执行。 2. **自动内存管理** 垃圾回收（GC）机制自动回收堆内存，避免内存泄漏[^2]。 3. **安全沙箱** 字节码验证器防止恶意代码破坏系统。 --- #### 二、JVM 架构分层（核心模块） ```mermaid graph TD A[JVM] --> B[类加载子系统] A --> C[运行时数据区] A --> D[执行引擎] A --> E[本地方法接口] ``` ##### 1. **类加载子系统（Class Loader）** - **加载流程**： ```plaintext 加载 → 链接（验证+准备+解析） → 初始化 ``` - **双亲委派模型**： 子加载器优先委派父加载器加载类，避免核心类被篡改[^4]。 *破坏场景*：OSGi框架、JDBC驱动加载（通过`Thread.currentThread().getContextClassLoader()`）。 ##### 2. **运行时数据区（内存模型）** | 区域 | 作用 | 特性 | |---------------------|----------------------------------------------------------------------|--------------------------| | **方法区（元空间）** | 存储类元数据、常量池 | JDK8后由元空间替代永久代[^2] | | **堆（Heap）** | 存储对象实例（所有线程共享） | GC主战场，分代管理 | | **虚拟机栈** | 存储栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接等） | 线程私有，可能栈溢出[^2] | | **本地方法栈** | 为Native方法服务 | 类似虚拟机栈 | | **程序计数器** | 记录当前线程执行的字节码位置 | 唯一无OOM区域 | ###### ▶ 堆内存分代设计（优化GC效率） ```mermaid graph LR Heap --> Young[新生代] Heap --> Old[老年代] Young --> Eden[Eden区] Young --> S0[Survivor0] Young --> S1[Survivor1] ``` - **新生代（Young Generation）** - Eden:Survivor = 8:1:1（默认比例）[^2] - 对象创建首选Eden区，Minor GC后存活对象移至Survivor区 - **老年代（Old Generation）** - 长期存活对象（默认15次GC后晋升）[^2] - 触发Major GC/Full GC ##### 3. **执行引擎** - **解释器**：逐行解释字节码（启动快，执行慢） - **JIT编译器**：热点代码编译为本地机器码（执行快，编译耗时） ```plaintext 触发条件：方法调用计数器 > 阈值 或 回边计数器 > 阈值 ``` - **垃圾收集器**： - **CMS**：并发标记清除（低停顿，但内存碎片多）[^3] - **G1**：分Region收集，可预测停顿（适合大堆）[^3] $$ \text{停顿目标} = \text{MaxGCPauseMillis} $$ --- #### 三、关键机制原理 1. **垃圾回收算法** - **标记-清除**：产生内存碎片 - **标记-复制**：用于新生代（Eden→Survivor复制） - **标记-整理**：用于老年代（减少碎片） 2. **内存屏障与Happens-Before** - 禁止指令重排序，保障多线程可见性 - 规则示例：`volatile`写操作先于后续读操作[^2] 3. **对象创建流程** ```plaintext 类加载检查 → 分配内存（指针碰撞/空闲列表） → 初始化零值 → 设置对象头 → 执行<init> ``` --- #### 四、调优核心参数示例 ```java -server // 服务端模式 -Xms512m -Xmx512m // 堆初始/最大内存 -Xss1024K // 线程栈大小 -XX:MaxTenuringThreshold=15 // 晋升老年代年龄阈值[^2] -XX:+UseG1GC // 启用G1收集器 -XX:MaxGCPauseMillis=200 // G1最大停顿目标[^3] ``` --- #### 五、设计哲学总结 > JVM通过**分层架构+动态优化**平衡性能与灵活性： > - **字节码抽象层**实现跨平台 > - **分代内存模型**优化GC效率 > - **JIT编译**弥补解释执行缺陷 > - **双亲委派**保障安全[^4] > 这些设计使其成为企业级应用的基石（如引用[1]中电商平台通过JVM扩展提升300%吞吐量）。
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