G1 垃圾回收器（Garbage-First, G1 GC）

G1

G1垃圾回收的过程

如何实现maxPauseTime

G1的特点, 优点和缺点

G1 是 Java HotSpot 虚拟机自 JDK7u4 起提供的服务器端垃圾回收器，目标是替代 CMS，适用于大堆内存、低延迟场景。G1 通过分区、并发和自适应等机制，实现高吞吐量和可预测的停顿时间。

G1 的主要特点

• 分区管理（Region）：将堆划分为多个大小相等的 Region，每个 Region 可作为 Eden、Survivor 或 Old 区，灵活管理内存。
• 分代收集：同时支持年轻代和老年代的垃圾收集。
• 可预测停顿时间：允许用户设置最大停顿时间目标（如 -XX:MaxGCPauseMillis），G1 会自适应调整回收行为以尽量满足目标。
• 并发与并行：支持多线程并发标记和回收，减少 Stop-The-World（STW）时间。
• 垃圾优先：优先回收垃圾最多的 Region，提高回收效率。
• 整体堆回收：可对整个堆进行回收，避免碎片化。

G1 垃圾回收过程

触发条件

• 年轻代空间不足时触发 Young GC。
• 老年代空间不足或达到阈值时触发 Mixed GC 或 Full GC。
• 显式调用 System.gc() 可能触发 Full GC。

回收阶段

G1 的回收阶段分为两类：Young Only GC 和 Mixed GC。

1. Young Only GC 阶段

   • 仅回收年轻代（Eden 和 Survivor 区）的 Region。
   • 触发条件：年轻代空间不足。
   • 过程：采用并行回收，通常伴随初始标记（Initial Mark），会发生短暂的 STW（Stop-The-World）暂停。
   • 目标：快速回收短生命周期对象，腾出新生代空间。

   Young Only GC 的过程

   Young Only GC 主要针对年轻代（Eden 和 Survivor 区）的 Region 进行回收，流程如下：

   1. 触发条件
      当年轻代空间不足时（如 Eden 区分配失败），会触发 Young Only GC。

   2. 初始标记（Initial Mark）
      该阶段会标记从 GC Roots 可达的对象，通常与 Young GC 一起发生，并伴随一次短暂的 Stop-The-World（STW）暂停。

   3. 并行回收
      多个 GC 线程并行回收年轻代的 Region，将存活对象复制到 Survivor 区或晋升到老年代。

   4. 释放空间
      回收后，Eden 区和部分 Survivor 区被清空，为新对象分配腾出空间。

   5. 目标
      快速回收短生命周期对象，减少新生代内存压力，提高分配效率。

   Young Only GC 不会回收老年代的 Region，主要目的是高效管理新生代对象，减少应用停顿时间。

2. Mixed GC 阶段

   • 同时回收年轻代和部分老年代的 Region。
   • 触发条件：老年代空间达到阈值或并发标记完成后。
   • 过程：在多次 Mixed GC 中，优先选择垃圾比例高的老年代 Region 与年轻代一起回收，减少老年代垃圾堆积。
   • 目标：逐步清理老年代，避免 Full GC，提升整体堆利用率。

   Mixed GC 的过程

   Mixed GC 主要同时回收年轻代（Eden 和 Survivor 区）以及部分老年代的 Region，流程如下：

   1. 触发条件
      当老年代空间达到一定阈值，或并发标记和最终标记（Remark）阶段完成后，会触发 Mixed GC。

   2. 筛选回收 Region
      G1 根据并发标记结果，选择垃圾比例高的老年代 Region，与年轻代 Region 一起加入本次回收。

   3. STW 暂停
      Mixed GC 过程中会有多次短暂的 Stop-The-World（STW）暂停，用于对象标记和回收。

   4. 并行回收
      多个 GC 线程并行回收被选中的年轻代和老年代 Region，将存活对象复制到 Survivor 区或晋升到老年代。

   5. 多轮执行
      Mixed GC 通常不会一次性回收所有老年代垃圾 Region，而是分多轮进行，每轮优先回收垃圾比例最高的 Region，逐步清理老年代。

   6. 目标
      逐步减少老年代的垃圾对象，避免 Full GC 的发生，提高堆空间利用率，保证应用的低延迟和高吞吐。

   Mixed GC 是 G1 的核心创新之一，通过分阶段、分批次地回收老年代，提升了大堆场景下的垃圾回收效率和可预测性。

G1 会根据堆的使用情况和停顿目标，动态决定执行 Young Only GC 还是 Mixed GC，从而实现高效且可预测的垃圾回收。

G1 的原理

• Region 划分：堆被划分为 2048 个左右的 Region，每个 Region 大小可配置（1MB~32MB）。
• Remembered Set：每个 Region 维护一个 Remembered Set，记录其他 Region 指向本 Region 的引用，支持跨 Region 并发回收。
• SATB 算法：并发标记阶段采用快照算法，保证标记准确性。
• 自适应回收：根据停顿时间目标和 Region 垃圾比例，动态选择回收哪些 Region。

G1 如何自适应 GC

• 用户可通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置期望的最大 GC 停顿时间。
• G1 会根据应用分配速率、存活对象比例、Region 垃圾量等，动态调整每次回收的 Region 数量和类型，尽量满足停顿目标。

如何使用 G1

• 启用参数：-XX:+UseG1GC
• 设置堆大小：-Xms、-Xmx
• 设置停顿目标：-XX:MaxGCPauseMillis=200（单位毫秒）
• 其他常用参数：
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：触发并发标记的堆占用百分比（默认 45）
  • -XX:G1HeapRegionSize：Region 大小
  • -XX:ParallelGCThreads：GC 并行线程数

常见问题排查

OOM（内存溢出）

• 检查堆大小、Region 配置、对象分配速率。
• 分析 GC 日志，定位内存泄漏或大对象分配。

内存泄漏

• 使用 MAT、VisualVM 等工具分析堆转储文件。
• 检查长生命周期对象引用。

Full GC 频繁

• 堆空间不足或碎片化严重。
• 老年代回收不及时，调整参数或优化代码。

G1 三色标记法

G1 垃圾回收器在并发标记阶段采用三色标记法（Tri-color Marking），用于高效、准确地识别存活对象。三色标记法将对象分为三类：

• 白色：未被访问过的对象，初始时所有对象都是白色。如果标记阶段结束后仍为白色，则认为是垃圾对象，可以回收。
• 灰色：已被访问但其引用的对象还未全部扫描的对象。灰色对象需要进一步处理。
• 黑色：自身已被访问且其引用的对象也都已扫描完毕的对象，表示存活对象。

标记过程

1. 初始阶段
   所有对象为白色。GC Roots 直接引用的对象被标记为灰色，加入待处理队列。

2. 标记推进
   不断从灰色队列中取出对象，将其引用的白色对象标记为灰色，并将自身标记为黑色。如此循环，直到没有灰色对象。

3. 标记结束
   剩下的白色对象即为不可达对象，可以被回收。

SATB（Snapshot-At-The-Beginning）算法

G1 在并发标记时采用 SATB 算法，确保在标记过程中对象引用的变化不会导致“漏标”或“误标”。SATB 通过记录并发标记开始时的对象引用快照，保证标记准确性。

优势

• 能高效并发地标记存活对象，减少 STW 停顿时间。
• 与 Remembered Set 配合，支持跨 Region 的引用追踪。

三色标记法是 G1 并发标记阶段的核心机制，保证了大堆场景下的高效和准确的垃圾回收。

除了三色标记法，垃圾回收器还有其他常见的对象可达性分析和标记方法，主要包括：

• 引用计数法（Reference Counting） 每个对象维护一个引用计数，引用增加时计数加一，引用断开时计数减一，计数为零时对象可回收。 优点：实现简单，实时回收。 缺点：无法处理循环引用，现代主流 JVM 不采用。 根可达性分析（Root Set/Tracing GC） 从 GC Roots（如栈、静态变量、JNI 引用等）出发，遍历对象图，所有可达对象为存活对象。三色标记法其实是根可达性分析的并发优化实现。

• 分代收集（Generational Collection） 根据对象生命周期将堆划分为新生代和老年代，分别采用不同的回收策略（如复制算法、标记-清除、标记-整理等）。

• 标记-清除（Mark-Sweep） 先遍历对象图标记所有存活对象，然后清除未被标记的对象。

• 标记-整理（Mark-Compact） 标记存活对象后，将其移动到内存一端，整理内存碎片。

• 复制算法（Copying） 将存活对象从一块内存复制到另一块，回收整个原内存区域，常用于新生代。

Remembered Set

**Remembered Set（记忆集）**是 G1 垃圾回收器中用于支持跨 Region 引用追踪的重要数据结构。

在 G1 中，堆被划分为多个 Region。每个 Region 都维护一个自己的 Remembered Set，用于记录其他 Region 中的对象对本 Region 内对象的引用。这样，在进行并发和增量回收时，G1 不需要全堆扫描所有引用关系，只需关注相关的 Remembered Set，大大提升了回收效率。

作用

• 支持跨 Region 的引用追踪，保证垃圾回收时不会遗漏存活对象。
• 降低 GC 扫描范围，提升并发回收性能。
• 与写屏障（Write Barrier）配合，实时更新引用关系。

工作原理

• 当某个 Region 外的对象引用了本 Region 的对象时，通过写屏障机制将该引用关系记录到本 Region 的 Remembered Set 中。
• 在回收本 Region 时，只需扫描其 Remembered Set，找到所有可能引用本 Region 的外部对象，确保标记完整性。

Remembered Set 是 G1 实现高效、可扩展垃圾回收的关键机制之一，尤其适用于大堆和高并发场景

参考

• Oracle 官方文档：G1 垃圾回收器