G1垃圾收集器通过Region分区和混合回收机制，平衡吞吐与延迟，支持大堆内存。利用SATB算法和记忆集减少停顿，适用延迟敏感场景。调优可控停顿，但需注意内存占用与Full GC风险。
一、G1 的设计目标
G1 是 JDK 7 引入的面向服务端应用的垃圾收集器，核心目标为：
- 可预测的停顿时间：通过设置
-XX:MaxGCPauseMillis（默认 200ms）控制 GC 停顿时间。 - 大堆内存友好：支持 TB 级堆内存，避免传统分代收集器的全堆扫描问题。
- 平衡吞吐与延迟：在较高吞吐量和较低延迟之间取得平衡。
二、G1 的核心设计
1. Region 分区
-
堆划分：将堆内存划分为多个大小相等的 Region（默认约 2048 个，每个 Region 大小 1MB~32MB，通过
-XX:G1HeapRegionSize指定）。 -
动态分代：
- Region 可以是 Eden、Survivor、Old 或 Humongous（大对象区，存储大小超过 Region 50% 的对象）。
- 分代逻辑上存在，物理上不连续，动态分配 Region 用途。
2. SATB（Snapshot-At-The-Beginning）算法
- 并发标记基础：在标记开始时对堆内存“拍照”，记录存活对象快照。
- 处理并发修改：通过写屏障（Write Barrier）记录并发期间被修改的引用，确保标记准确性。
3. Remembered Set（记忆集）
- 跨 Region 引用跟踪：每个 Region 维护一个记忆集（RSet），记录其他 Region 对当前 Region 的引用。
- 避免全堆扫描：GC 时仅需扫描 RSet，而非整个堆，提升效率。
三、G1 的工作流程
G1 的垃圾回收分为两个阶段：
- Young GC：回收年轻代（Eden + Survivor）的 Region。
- Mixed GC：混合回收年轻代和部分老年代 Region（需满足阈值条件）。
1. Young GC 流程
-
触发条件：Eden 区 Region 耗尽时触发。
-
复制存活对象：
- 将 Eden 和 Survivor 区存活对象复制到新的 Survivor Region。
- 年龄计数器递增，达到阈值（默认 15）的对象晋升到 Old Region。
-
更新 RSet：记录跨 Region 引用。
2. Mixed GC 流程
-
触发条件：
- 堆内存使用率达到阈值（默认 45%，通过
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent调整）。 - 需要回收老年代 Region 以释放空间。
- 堆内存使用率达到阈值（默认 45%，通过
-
全局并发标记：
- 初始标记（Initial Mark，STW）：标记 GC Roots 直接可达的对象（与 Young GC 同步触发）。
- 根区域扫描（Root Region Scanning）：扫描 Survivor Region 的引用。
- 并发标记（Concurrent Mark）：遍历堆，标记所有存活对象。
- 最终标记（Final Mark，STW）：处理 SATB 记录，修正标记结果。
- 清理阶段（Cleanup，STW）：统计各 Region 的存活对象比例，选择回收价值高的 Region。
-
混合回收（Mixed Collection，STW）：
- 回收选中的年轻代和老年代 Region。
- 重复多次 Mixed GC 直到满足堆空间释放目标。
四、G1 的关键优化机制
1. 增量回收
- 分批次回收：每次 Mixed GC 仅回收部分 Region，避免一次性全堆回收的长停顿。
- 停顿可控：通过
-XX:MaxGCPauseMillis动态调整回收 Region 数量。
2. 并行与并发
- 并行阶段：Young GC 和 Mixed GC 的 STW 阶段使用多线程加速。
- 并发阶段：全局并发标记的大部分操作与应用线程并发执行。
3. 内存整理
- 局部整理：回收 Region 时，将存活对象复制到空闲 Region，减少内存碎片。
- Full GC 兜底：当 Mixed GC 无法满足内存需求时，触发 Full GC（标记-整理算法，需避免）。
五、G1 的优缺点
优点
- 可预测停顿：通过参数控制目标停顿时间。
- 大堆高效：Region 分区减少全堆扫描开销。
- 内存碎片少：局部整理降低碎片化风险。
缺点
- 内存占用高：维护 RSet 和卡表占用额外内存（约堆的 10%~20%）。
- 吞吐量略低：相比 Parallel 回收器，吞吐量降低约 10%。
- Full GC 风险：并发标记失败或晋升失败时触发 Full GC。
六、G1 调优参数
| 参数 | 作用 | 示例值 |
|---|---|---|
-XX:+UseG1GC | 启用 G1 回收器 | 默认不启用 |
-XX:MaxGCPauseMillis | 目标最大停顿时间（毫秒） | 200（默认） |
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent | 触发 Mixed GC 的老年代占用阈值（百分比） | 45（默认） |
-XX:G1HeapRegionSize | 指定 Region 大小 | 16m（16MB） |
-XX:G1NewSizePercent | 年轻代初始占比（堆百分比） | 5（默认） |
-XX:G1MaxNewSizePercent | 年轻代最大占比（堆百分比） | 60（默认） |
-XX:ConcGCThreads | 并发标记阶段的线程数 | 根据 CPU 核数调整 |
七、适用场景
- 大堆内存应用：堆内存超过 6GB，传统分代收集器效率下降。
- 延迟敏感场景：需避免长时间停顿（如实时交易系统）。
- 内存碎片问题：老年代碎片化导致 Full GC 频繁。
八、G1 与其他回收器的对比
| 回收器 | 停顿时间 | 吞吐量 | 内存占用 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| G1 | 可控（亚秒级） | 中等 | 较高 | 大堆、平衡吞吐与延迟 |
| CMS | 低（但碎片导致不稳定） | 中等 | 低 | 老年代低延迟，堆较小 |
| Parallel | 高 | 高 | 低 | 吞吐优先，堆较小 |
| ZGC | 极低（亚毫秒级） | 中等 | 高 | 超大堆（TB 级）、极致低延迟 |
九、总结
G1 通过 Region 分区、SATB 标记和 混合回收 机制，实现了大堆内存下的高效垃圾回收，兼顾吞吐量和延迟。调优时需关注目标停顿时间、堆占用阈值和 Region 大小，结合监控工具（如 GC 日志、JVisualVM）分析瓶颈。对于追求极致低延迟的超大堆场景，可考虑 ZGC 或 Shenandoah，但 G1 仍是大多数生产环境的稳健选择。
