💎 G1 垃圾收集器工作模式全景解析：从日常快扫到紧急抢救（Young GC,Mix GC,Full GC）

🎯 导读：理解 G1 的“分治”哲学

G1 (Garbage-First) 收集器是现代 Java 应用的默认 GC，其核心思想是将整个堆内存划分为多个 Region，并进行分治管理。要用好 G1，必须理解它的三种主要工作模式。

本文将用最简单、最生动的语言，为你彻底剖析 G1 的三种 GC 模式：Young GC（日常整理）、Mixed GC（增量大扫除）和 Full GC（紧急抢救）。

👶 一、Young GC：新生代的日常快速整理

你可以把 Young GC 看作是 G1 收集器在新生代区域执行的**“日常快速清洁”**。它的目标是快速清理新产生的垃圾，为新对象腾出空间。

1. 触发时机：Eden 区空间耗尽与停顿预算评估 📈

Young GC 的触发机制非常智能，它将 “空间不足” 作为启动契机，但会以 “停顿预算” 作为最终决策依据：

空间触发点： 应用程序创建新对象，导致 当前分配给 Eden 区的 Region 全部被占满，无法提供新的空闲 Region。
预算评估机制（核心）： 此时 G1 并不会立即执行 GC，而是基于历史数据进行评估：
1. 预测耗时： G1 预测：如果现在就执行 Young GC 来清理当前的新生代区域，预计需要多久时间？
2. 决策点：
  - 如果 预测耗时远小于 -XX:MaxGCPauseMillis 设定的最大停顿时间。
    
    G1 决策： 此时新生代规模过小，停顿时间绰绰有余。G1 会增加新生代 Region 的数量（扩大 Eden 区） ，让应用线程继续分配对象，以提高吞吐量。
  - 直到下一次 Eden 区放满，G1 预测的回收时间接近或超过 -XX:MaxGCPauseMillis 设定的值。
    
    G1 决策： 新生代规模已达到停顿预算的上限，必须立即触发 Young GC，以避免超时。

2. 工作机制：STW 暂停与并行复制

一旦 G1 决定执行 Young GC，它必须让应用程序暂停下来（Stop-The-World, STW），才能安全地进行清理。

强制暂停应用： 所有应用程序线程（Mutator）暂时停止。
筛选与标记： GC 线程并行地检查当前新生代区域（Eden 和 Survivor）中的存活对象。
复制/晋升（核心动作）： GC 将所有存活对象复制到堆中新的、空闲的 Region 里：
- 年轻对象： 复制到新的 Survivor Region，年龄计数器加 1。
- 年老对象/达到动态晋升年龄的对象： 直接复制到 老年代 Region。
释放空间： 复制完成后，原来的 Eden 区和旧的 Survivor 区中的所有 Region 都会被清空，并重新标记为**“空闲”**，可以用于下一次对象分配。

3. Young GC 核心特点总结

特点	含义
动态大小	G1 会根据 `-XX:MaxGCPauseMillis` 动态调整新生代的大小，这是其智能化的核心。
只清理新生代	不涉及老年代，因此 GC 速度非常快。
是 STW 停顿	应用程序会停止，但由于动态预算，停顿时间高度可预测且受控。
复制算法	清理过程中会整理内存，消除内存碎片。

🏗️ 二、Mixed GC：老年代的增量式大扫除

Mixed GC 是 G1 区别于其他收集器的核心。它的目标是分批次、有计划地回收老年代区域，避免老年代垃圾过多堆积。

1. 触发机制：并发标记完成

Mixed GC 的启动依赖于 并发标记周期 的完成：

老年代报警线： 当整个堆的占用率达到 IHOP 阈值（默认 45%）时，G1 启动并发标记。
摸底排查（并发）： G1 在应用运行的同时，计算出哪些老年代 Region 垃圾最多（这就是 Garbage-First 的由来）。
启动 Mixed GC： 并发标记结束后，G1 认为可以进行老年代回收，开始进入 Mixed GC 阶段。

2. 工作机制：预约停顿与增量清理

Mixed GC 并不是一次性清理老年代，而是多次 短暂停顿 的迭代过程。

停顿预算（MaxGCPauseMillis）： G1 严格遵循用户设定的停顿时间预算。
圈定范围（CSet）： G1 每次会从新生代和垃圾占比最高的老年代 Region 中，圈定一个 Collection Set (CSet) 。圈定老年代 Region 的原则是：确保复制 CSet 中所有存活对象所需的时间，不会超出停顿预算。
STW 搬家与清理：
- 暂停应用。
- GC 线程并行地将 CSet 中所有的活对象（新生代和老年代）复制到新的空闲 Region。
- 释放 CSet 中所有旧的 Region。
循环迭代： G1 会连续进行多次类似的 短暂停顿 Mixed GC，逐步回收所有值得清理的老年代 Region。

3. Mixed GC 核心特点总结

特点	含义
增量式回收	老年代的回收工作被分散到多次短暂停顿中完成。
GC 范围	新生代 + 部分老年代 Region。
可控停顿	通过预测模型和 `MaxGCPauseMillis`，精确控制了单次 GC 的时长。

Mixed GC 的简单解释：分批搬家和预约停顿

你可以把 G1 堆内存想象成一个巨大的**“城市” ，而 老年代区域 就是城市里的一个个“旧小区”**，里面堆满了垃圾（死对象）和一些住户（活对象）。

Mixed GC 的目标： 不是一次性清空整个城市（那样会交通大瘫痪），而是分批次、有计划地拆除并整理这些旧小区，确保城市交通（应用运行）只受到短暂、可预测的影响。

阶段 1: 摸底排查（并发标记）

G1 怎么知道该清哪里？

摸底： G1 会在应用运行的同时（并发），偷偷地对所有旧小区进行**“垃圾普查”**。它会给每个小区打分：这个小区有多少垃圾？
排队： 普查结束后，垃圾最多（得分最高）的小区会被优先排队等待拆迁。

阶段 2: 预约停顿与选定范围（CSet Selection）

G1 如何确保停顿时间可控？

停顿预算： 你告诉 G1：“每次拆迁（GC），最多只能停顿 200 毫秒！”（-XX:MaxGCPauseMillis）。
圈定范围（CSet）： G1 从排队的小区里，从垃圾最多的开始选。它会计算：“拆除这 5 个小区（Region），预计需要 180 毫秒，在预算内。就选它们了！”
- 关键： Mixed GC 的范围是新生代 + 精选的老年代小区。
STW 暂停： 确定好范围后，G1 宣布：“现在开始施工，应用线程暂停！”（STW Pause）。

阶段 3: 快速搬家与清理（增量式复制）

STW 期间 GC 做了什么？

快速搬家： GC 线程并行出动，把选定范围（CSet）里所有的住户（活对象） ，快速复制到城市里的**新小区（新的 Region）**里。
清理旧址： 一旦所有住户搬走，旧小区（Region）就成了空地。G1 立即释放这些空地，城市可以重新在这里建新楼（分配新对象）。

阶段 4: 循环迭代（多次 Mixed GC）

一次拆迁不足以清空所有垃圾。

G1 会连续进行多次类似的 短暂停顿 Mixed GC，每次都根据停顿预算选择新的垃圾小区进行清理。
当垃圾小区里的垃圾少到不值得拆迁（低于 5% 阈值）时，G1 就停止 Mixed GC，继续运行应用。

简单总结：

Mixed GC 就是一种**“短暂停顿、分批处理”**的老年代回收策略。它依靠前期的 并发标记 来选出垃圾最多的 Region，然后根据你设定的 停顿预算，每次只清理一部分 Region，从而将长时间的停顿分散成多次短暂的停顿。

💣 三、Full GC：系统崩溃前的紧急抢救

Full GC 是 G1 收集器的**“失败模式”**，是 G1 极力想要避免的情况。

1. 触发时机：并发回收彻底失败

Full GC 通常发生在以下唯一且灾难性的情况：

当 G1 的并发回收（Mixed GC 或 Young GC）速度，完全跟不上应用程序的内存分配速度时。

场景： 应用线程分配对象太快，G1 来不及腾出新的空闲 Region，堆内存瞬间被用完。
后果： G1 无法满足新的内存分配请求，JVM 只能触发 Full GC 来避免 内存溢出 (OOM) 。

2. 工作机制：最慢、最粗暴的整理

Full GC 是一种灾难性的回收模式：

强制停顿（STW）： 立即停止所有应用程序线程，停顿时间极长。
粗暴全扫： G1 放弃了并发优势，转而使用一个单线程、串行的 标记-清除-压缩 算法，完整扫描并整理整个堆。
性能冲击： 停顿时间与堆内存大小成正相关。堆越大，停顿越久，完全打破了 G1 低延迟的承诺。

3. 为什么必须避免 Full GC？

违背承诺： Full GC 直接导致 G1 的低延迟承诺失效。
性能调优信号： 如果你的应用经常出现 Full GC，说明 G1 配置（如堆大小、IHOP 阈值）存在严重问题，需要立即调优。

✨ 总结：G1 三种模式的精要对比

G1 通过 Young GC 和 Mixed GC 的协同工作，将 GC 的停顿时间降到最低。

GC 类型	目标区域	停顿特点	核心目的
Young GC	新生代（Eden + Survivor）	STW，但短暂停顿	快速腾出新对象分配空间。
Mixed GC	新生代 + 部分老年代	STW，多次短暂停顿	增量清理老年代垃圾，避免 Full GC。
Full GC	整个堆	STW，长时间停顿	最后的抢救措施，极力避免发生。