🎯 引言：G1 的“分而治之”哲学
G1 (Garbage-First) 收集器是现代 Java 虚拟机（JVM）默认的垃圾收集器，它的设计彻底颠覆了传统的“分代收集”理念，引入了Region（区域）的概念，实现了可预测的停顿时间。
本篇博客将带你深入 G1 的底层架构，理解它是如何通过精妙的区域划分、智能的大对象处理和优化的 GC 流程，实现高吞吐量与低延迟的完美平衡。
一、🌍 堆内存的基石：Region 划分与动态结构
G1 GC 的一切优势都建立在它的堆内存结构上：将整个 Java 堆划分为多个大小相等的独立区域（Region） 。
1. Region 的基本设定
| 特征 | 细节说明 |
|---|---|
| 数量上限 | JVM 最多可以拥有 2048 个 Region。 |
| 默认大小 | Region 大小通常等于 堆总大小 / 2048。例如，堆大小为 4096M，则每个 Region 大小约为 2M。 |
| 手动指定 | 可以通过参数 -XX:G1HeapRegionSize 手动指定大小，但推荐 JVM 默认计算。 |
2. 动态灵活的分代概念
G1 虽然保留了年轻代和老年代的概念，但它们不再是物理连续的内存块。
- 分代构成： 年轻代和老年代都是由 一组 Region 的集合 构成的，这些 Region 在堆内存中可以不连续。
- 功能动态变化： 一个 Region 可能在 Young GC 后被清空，随后被重新分配给老年代使用，这意味着 Region 的区域功能（年轻代/老年代）会动态变化。
3. 年轻代的动态调整
G1 的新生代大小是动态调整的，以更好地满足停顿时间目标：
- 初始占比： 默认情况下，年轻代占堆内存的 5% （可通过
-XX:G1NewSizePercent设置初始值）。 - 最大限制： 无论如何增加，新生代的占比不会超过 60% （可通过
-XX:G1MaxNewSizePercent调整）。 - Eden/Survivor 比例： 新生代内部的 Eden 区和 Survivor 区（S0、S1）仍然遵循经典的 8:1:1 比例进行 Region 划分。
二、🐘 大对象的专门通道：Humongous 区
G1 对待大对象的方式非常特殊，它专门引入了 Humongous 区，目的是减轻老年代的负担。
1. 大对象的判定规则
-
一个对象的大小超过了一个 Region 大小的 50% ，即被判定为大对象。
- 例如：如果 Region 大小是 2M，那么超过 1M 的对象就是大对象。
2. Humongous 区的作用
-
分配位置： 大对象会被直接分配到 Humongous Region 中，而不会直接进入普通的老年代 Region。
-
优势：
- Humongous 区专门用于存放短期巨型对象。
- 它节约了老年代的正常空间，避免老年代过快饱和而引发不必要的 GC 开销。
- 如果大对象太大，它可能会横跨多个 Region 来存放。
3. 回收机制
- 在正常的 Young GC 和 Mixed GC 中，Humongous 区的对象不会被回收。
- 只有在 Full GC 发生时，Humongous 区的对象才会与年轻代和老年代一起被一并回收。
三、🔄 G1 垃圾收集的运作流程（四阶段）
G1 的垃圾收集运作流程，尤其是它的 并发标记 阶段，与 CMS 收集器有相似之处，但其最后的 筛选回收 阶段是独一无二的。
| 阶段 | 停顿类型 | 核心任务 | 特点与深度解析 |
|---|---|---|---|
| 1. 初始标记 | STW (Pause) | 记录 GC Roots 直接引用的对象。 | 速度极快，因为它只标记与 GC Roots 直接关联的对象。 |
| 2. 并发标记 | 并发 (Concurrent) | 从 GC Roots 开始，遍历整个堆，标记所有存活对象。 | 与应用程序线程同时运行，不造成停顿。此阶段会统计每个 Region 的存活对象比例。 |
| 3. 最终标记 | STW (Remark) | 处理并发标记期间产生的新的引用变动（SATB）。 | 再次暂停应用线程，确保所有存活对象被标记，完成对象图的精确化。 |
| 4. 筛选回收 | STW (Pause) | 根据回收价值和成本，制定回收计划并执行。 | 这是 G1 “可预测停顿” 的核心实现： |
| 1. 价值排序： 对所有 Region（包括年轻代和垃圾占比高的老年代）的回收价值和预计成本进行排序。 | |||
2. 制定计划： 根据用户设定的最大停顿时间 (-XX:MaxGCPauseMillis)，选择刚好在预算内能回收掉 Region 集合（Collection Set, CSet）。 | |||
| 3. 执行回收： 对 CSet 中的 Region 使用复制算法，将存活对象复制到新的空闲 Region。 |
💡 关键区别： G1 采用复制算法进行回收（即使是老年代），这使其在回收后几乎不会产生内存碎片，从而避免了 CMS 收集器回收后的“整理”步骤。
🔑 总结：G1 机制的核心优势
G1 收集器的成功，在于它将 可预测的低延迟 深度融入其底层设计：
- 分治管理： 通过 Region 划分，将大堆内存的回收压力分散到可控的小区域。
- 停顿预算： 筛选回收 阶段严格根据
-XX:MaxGCPauseMillis来增量地选择要回收的 Region，确保单次停顿时间不会失控。 - 无碎片化： 采用 复制算法 进行回收，天然具备整理内存的能力，保持堆内存的整洁。
理解 G1 的 Region 结构和筛选回收机制，是进行高并发 Java 应用 GC 调优的关键！
