G1 垃圾回收器详解 原理

🧠 一、G1 的设计目标

G1 = Garbage First Collector
👉 “优先回收垃圾最多的区域（Region）”

设计初衷：

• 面向 大堆内存（4GB~几百GB）

• 保证 可预测的低停顿时间（pause time goal）

• 支持 并行、并发、分代回收

• 避免全堆扫描、压缩（fragmentation）问题

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🧩 二、G1 的内存结构（核心区别）

传统 GC（如 Parallel / CMS）堆分代如下：

 

| Young | Old |

而 G1 将整个堆拆成很多小块（Region），每个大小固定（如 1MB、2MB、4MB）。

 

Heap = 一堆大小相等的 Region 每个 Region 可扮演不同角色： [ E ] Eden [ S ] Survivor [ O ] Old [ H ] Humongous（超大对象）

示意：

 

| E | E | S | O | O | H | E | O | S | H | ...

• 每个 Region 可动态分配为 Eden、Survivor、Old，不再固定比例。

• Region 是独立回收的基本单位。

• Humongous Region：对象超过 Region 一半大小（> 0.5 * RegionSize）就放这里。

🔹 这样，G1 不再是“按代”整体扫描，而是：

“找出垃圾最多的 Region 集合，优先清理它们（Garbage First）”。

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⚙️ 三、G1 的主要阶段（工作流程）

整个生命周期分为：

 

Young GC ↓ Concurrent Marking（并发标记） ↓ Mixed GC ↓ Full GC（极端 fallback）

(1) Young GC（年轻代收集）

触发条件：Eden 区满。
流程：

1. STW（Stop The World）暂停。

2. 标记存活对象（根可达）。

3. 复制存活对象到 Survivor / Old Region。

4. 回收整个 Eden Region。

✅ 优点：Eden 回收后直接清空；复制算法，天然压缩内存碎片。

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(2) Concurrent Marking（并发标记阶段）

触发条件：堆使用比例超过阈值（默认 45%）。

过程：

1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接可达对象。

2. 并发标记（Concurrent）：GC 与应用线程同时运行，扫描整个堆。

3. 再标记（STW）：修正漏标对象（SATB）。

4. 筛选统计（Remark）：计算每个 Region 的“回收收益”。

   • 收益 = 可回收空间 / 执行成本

目的：建立一份“Region 垃圾地图”，为下一次回收做准备。

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(3) Mixed GC（混合回收）

在并发标记完成后触发。

不仅回收年轻代，还回收部分 Old Region（优先垃圾比例高的那些）。

过程：

1. 根据收益排序，选出一批最值得清理的 Old Region。

2. STW 复制 + 回收这些 Region。

3. 重复多次 Mixed GC，直到收益不明显或达目标暂停时间。

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(4) Full GC（极端情况）

当：

• 堆内存碎片严重；

• G1 无法满足 pause time；

• 元空间溢出；

才会触发 单线程的 Full GC（最慢）。

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🔄 四、G1 的关键机制

1️⃣ Remembered Set (RSet)

记录跨 Region 的引用。

• G1 不需要全堆扫描老年代 → 年轻代 GC 时，只扫描记录在 RSet 中的老年代引用。

• 实现方式：卡表（Card Table），每个 512B 的区域都有 dirty bit。

2️⃣ SATB（Snapshot At The Beginning）

在并发标记阶段，为避免漏标：

• 记录标记开始时的堆快照；

• 对象的删除（write barrier）会把原值加入标记队列。

3️⃣ Copy + Compact（天然压缩）

回收采用复制算法：

• 存活对象复制到新 Region；

• 旧 Region 直接清空；
  ✅ 避免 CMS 碎片问题。

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🧮 五、G1 调优参数详解

参数	含义	建议
-XX:+UseG1GC	开启 G1	JDK9+ 默认启用
-XX:MaxGCPauseMillis=<N>	目标最大停顿时间 (默认 200ms)	可调整为 100~500ms
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent	启动并发标记的堆占用阈值（默认 45%）	调大可减少 GC 频率
-XX:G1HeapRegionSize	Region 大小 (1MB~32MB，2 的幂次方)	一般自动选择
-XX:ConcGCThreads	并发标记线程数	默认 = CPU/4
-XX:ParallelGCThreads	并行 GC 线程数	默认 = CPU
-XX:+G1UseAdaptiveIHOP	动态调整 IHOP 阈值	推荐开启
-XX:G1ReservePercent	预留空间防止晋升失败（默认 10%）	10~20%

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📊 六、G1 与 CMS 对比

对比项	CMS	G1
内存结构	分代 (固定 Eden/Survivor/Old)	Region 动态分配
算法	标记-清除（不压缩）	标记-复制（压缩）
碎片	易产生碎片	自动整理
并发标记	有	有（SATB）
回收粒度	整个代	Region 级别（可选择最优）
停顿可控	否	可预测（Pause Target）
吞吐量	稍高	稍低
适用场景	中等堆（<8GB）	大堆（>8GB）、低延迟服务

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🧰 七、G1 GC 日志与分析（简版）

开启日志：

 

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime -Xlog:gc*:file=gc.log:time,uptime,level,tags

示例：

 

[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young) 256M->128M(1024M), 0.0456789 secs] [GC concurrent-mark-start] ...

分析工具：

• jstat -gcutil <pid> 1s

• GC Easy、GCeasy.io、GarbageCat、JClarity Censum

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💡 八、G1 调优思路总结

目标	调优方向
停顿太频繁	调大 MaxGCPauseMillis 或减少并发标记触发频率
吞吐下降	调整并发线程数，适当增加 Region 大小
晋升失败	增大 G1ReservePercent 或 Xmx
内存碎片	确认 Humongous 对象比例（>50% region）太高时需拆分对象或压缩

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🧭 九、总结记忆图

 

┌────────────────────────────┐│ G1 Garbage Collector │└────────────┬──────────────┘│┌───────────┴────────────┐│ │Region-based Heap Pause-time Target(E/S/O/H Region) (MaxGCPauseMillis)│ │▼ ▼┌──────────────┐ ┌────────────────┐│ Young GC │ │ Concurrent Mark││ (Copy) │ │ + Mixed GC │└──────────────┘ └────────────────┘│ │▼ ▼Compact Selective GC(No fragmentation) (Garbage-First Regions)