G1 收集器深度解析

G1（Garbage First）收集器是 Java 7 引入、Java 9 成为默认收集器的现代 GC。它解决了 CMS 的碎片化问题，同时支持用户设定停顿时间目标。

G1 的设计理念是：在用户设定的停顿时间目标内，尽可能多地回收垃圾。这与传统收集器「尽可能快地完成 GC」的目标有本质区别。

G1 的核心创新

G1 的核心创新是将堆划分为大小相等的 Region，每个 Region 可以独立作为 Eden、Survivor 或老年代：

flowchart TB
    subgraph G1堆["G1 堆内存"]
        subgraph Region["Region（1MB~32MB）"]
            E1["E"]
            E2["E"]
            E3["E"]
            S1["S"]
            S2["S"]
            O1["O"]
            O2["O"]
            O3["O"]
            H1["H"]
            H2["H"]
            F1["F"]
            F2["F"]
            F3["F"]
            F4["F"]
        end
    end
    
    subgraph Region类型
        E["Eden Region"]
        S["Survivor Region"]
        O["Old Region"]
        H["Humongous Region"]
        F["Free Region"]
    end
    
    style E fill:#5f27cd,color:#fff
    style S fill:#feca57
    style O fill:#ff6b6b,color:#fff
    style H fill:#fd79a8
    style F fill:#dfe6e9

Region 设计

Region 大小

G1 的 Region 大小可以是 1MB、2MB、4MB、8MB、16MB 或 32MB，由 -XX:G1HeapRegionSize 参数指定（必须是 2 的幂次）。

# 设置 Region 大小为 4MB
java -XX:G1HeapRegionSize=4m -XX:+UseG1GC -jar application.jar

Region 类型

类型	说明	特点
Free	空闲 Region	可用于分配
Eden	Eden Region	新对象分配
Survivor	Survivor Region	容纳 Minor GC 后存活的对象
Old	Old Region	长生命周期对象
Humongous	Humongous Region	大对象（超过 Region 50%）

Humongous 对象

Humongous 对象是超过 Region 50% 大小的对象。G1 为这类对象分配专门的 Humongous Region。

// G1 的 Humongous 对象判定
public class HumongousObject {
    public boolean isHumongous(long objectSize, int regionSize) {
        // 对象大小超过 Region 大小的 50%
        return objectSize > regionSize / 2;
    }
}

Humongous 对象的管理有特殊规则：

不会在年轻代和老年代之间移动
只在 Full GC 时回收（这可能导致问题）
可能导致 Humongous 区域碎片化

G1 工作流程

G1 的工作流程分为以下阶段：

flowchart TB
    subgraph G1工作流程["G1 工作流程"]
        IM["初始标记\nStop The World"]
        CM["并发标记"]
        FM["最终标记\nStop The World"]
        SR["筛选回收\nStop The World"]
        
        IM --> CM --> FM --> SR --> IM
    end
    
    subgraph Young_GC["Young GC"]
        YG["Young GC\n复制算法"]
    end
    
    subgraph Mixed_GC["Mixed GC"]
        MG["Mixed GC\n增量整理"]
    end
    
    SR --> YG
    SR --> MG

初始标记（Initial Mark）

初始标记需要 Stop The World，标记 GC Roots 直接引用的对象。在 G1 中，初始标记与 Minor GC 一起执行。

并发标记（Concurrent Mark）

并发标记与应用程序并发执行，遍历对象图，标记存活对象。

最终标记（Final Mark）

最终标记需要 Stop The World，处理并发标记阶段产生的变化（如新创建的对象、新增的引用）。

筛选回收（Evacuation）

筛选回收需要 Stop The World。G1 根据用户设定的停顿时间目标，选择垃圾最多的 Region 进行回收。

Remembered Set

G1 通过 Remembered Set（RSet）来追踪跨 Region 的引用：

flowchart LR
    subgraph Region_A["Region A"]
        A["对象 A"]
        A -->|"引用"| B["对象 B"]
    end
    
    subgraph Region_B["Region B"]
        B["对象 B\n在 Old Region"]
    end
    
    subgraph RSet["Region A 的 RSet"]
        RS["RSet\n记录 Region B 对 A 的引用"]
    end
    
    RS -->|"追踪"| B

RSet 的作用

每个 Region 都有一个 RSet，记录了其他 Region 对本 Region 对象的引用。在 GC 时，只需要扫描 RSet 就能找到跨 Region 引用，不需要扫描整个堆。

RSet 实现

RSet 有两种实现方式：

类型	说明	适用场景
Points-into	记录指向本 Region 的引用来自哪个其他 Region	引用较多时
Points-out	记录本 Region 引用了哪些其他 Region	引用较少时

G1 的 RSet 实现是 Points-into，每个 Region 维护一个哈希表，键是其他 Region，值是这些 Region 中引用了本 Region 对象的卡片集合。

停顿时间可控

G1 最大的特点是停顿时间可控。通过 -XX:MaxGCPauseMillis 参数设定停顿时间目标，G1 会尽量在目标时间内完成 GC。

# 设置最大停顿时间为 200ms
java -XX:MaxGCPauseMillis=200 -XX:+UseG1GC -jar application.jar

G1 如何实现停顿时间可控？

选择回收 Region：优先选择垃圾最多的 Region
增量回收：每次只回收部分 Region
动态调整：根据历史数据调整回收策略

// G1 的停顿时间控制逻辑（简化）
public class G1PauseTimeControl {
    public boolean shouldContinueEvacuation(long targetPauseTime) {
        // 检查已花费的时间
        long elapsed = System.currentTimeMillis() - startTime;
        
        // 如果接近目标时间，停止回收
        if (elapsed >= targetPauseTime * 0.9) {
            return false;
        }
        
        // 检查剩余可用时间
        long remaining = targetPauseTime - elapsed;
        if (remaining < estimatedTimePerRegion) {
            return false;
        }
        
        return true;
    }
}

适用场景

G1 适合以下场景：

6GB 以上堆内存：Region 设计在大内存下表现更好
停顿时间目标 <=500ms：G1 可以较好地满足这个目标
平衡场景：需要在吞吐量和停顿时间之间平衡
需要替换 CMS：CMS 的碎片化问题难以解决

# G1 推荐配置
java -Xms8g -Xmx8g \
    -XX:+UseG1GC \
    -XX:MaxGCPauseMillis=200 \
    -XX:G1HeapRegionSize=4m \
    -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 \
    -XX:G1NewSizePercent=5 \
    -XX:G1MaxNewSizePercent=60 \
    -jar application.jar

#G1 收集器深度解析

#G1 的核心创新

#Region 设计

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