Java中的G1垃圾回收器详解

一、G1垃圾回收器概述

G1（Garbage-First）是JDK 7 Update 4中正式引入的服务器端垃圾回收器，旨在替代CMS回收器，解决其内存碎片化和停顿时间不可控等问题。G1的设计目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，适用于多核处理器、大内存容量的服务端环境。它的核心思想是将堆内存划分为多个大小相等的独立区域（Region），并跟踪各个区域的垃圾堆积程度，优先回收垃圾最多的区域（Garbage-First名称的由来）。

二、G1的核心设计思想

1. Region化内存布局：

   • G1将整个堆划分为2048个左右的等大小区域（Region），每个Region的大小可以是1MB到32MB（必须是2的幂次）。
   • 区域类型包括：
     • Eden区：存放新创建的对象。
     • Survivor区：存放年轻代GC后存活的对象。
     • Old区：存放长期存活的对象。
     • Humongous区：专门存放大对象（大小超过Region容量50%的对象）。
   • 优势：Region是GC过程中每次回收的最小单元，避免了全堆扫描，使得GC停顿时间更可控。

2. 分代收集的弱化：

   • G1虽然保留了年轻代和老年代的概念，但物理上不再连续，而是由一系列不连续的Region组成。
   • 年轻代和老年代的比例不再固定，而是动态调整（默认年轻代占比5%~60%），通过-XX:G1NewSizePercent和-XX:G1MaxNewSizePercent参数控制。

3. 回收策略：化整为零：

   • G1的回收过程不再是整代回收，而是每次只回收部分Region（称为"回收集"或Collection Set）。
   • 通过计算每个Region的回收价值（回收所需时间与可释放空间的比值），优先回收收益最大的Region。

三、G1的工作流程

1. 年轻代GC（Young GC）：

   • 触发条件：Eden区被占满时。
   • 过程：
     • 暂停所有应用线程（Stop-The-World）。
     • 从根对象（如栈引用、全局变量）开始扫描，标记Eden和Survivor区中存活的对象。
     • 将存活对象复制到新的Survivor区或晋升到Old区。
     • 清空Eden和已回收的Survivor区。
   • 特点：并行执行，使用多线程加速回收。

2. 并发标记周期（Concurrent Marking Cycle）：

   • 触发条件：堆内存使用率达到阈值（默认45%，通过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent设置）。
   • 阶段划分：
     • 初始标记（Initial Mark）：短暂STW，标记从GC Roots直接可达的对象。
     • 根区域扫描（Root Region Scanning）：并发扫描Survivor区中引用老年代的对象。
     • 并发标记（Concurrent Marking）：并发遍历整个堆，标记存活对象。
     • 最终标记（Remark）：短暂STW，处理并发标记期间漏标的对象（使用SATB算法）。
     • 清理（Cleanup）：统计各Region存活对象比例，识别完全空闲的Region，准备混合GC。

3. 混合GC（Mixed GC）：

   • 触发条件：并发标记周期完成后。
   • 回收目标：不仅回收年轻代Region，还会选择部分老年代Region（根据回收价值）加入回收集。
   • 过程：类似年轻代GC，但回收范围包括年轻代和部分老年代。
   • 目标：逐步减少老年代占用，避免Full GC。

四、关键技术与优化

1. SATB（Snapshot-At-The-Beginning）算法：

   • 在并发标记开始时，对堆内存存活对象建立快照。
   • 期间新分配的对象默认视为存活，避免漏标。
   • 通过写前屏障（Write Barrier）记录并发标记期间被修改的引用，在最终标记阶段重新扫描。

2. 记忆集（Remembered Set）与卡表（Card Table）：

   • 每个Region维护一个记忆集，记录其他Region指向本Region的引用。
   • 避免全堆扫描，只需扫描记忆集即可确定跨代引用。
   • 卡表是记忆集的实现方式，将堆划分为512字节的卡页，通过写屏障维护脏卡页。

3. 停顿预测模型：

   • G1根据历史的GC数据预测本次回收的停顿时间。
   • 通过调整回收集的大小（Region数量），尽量满足用户设定的最大停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis，默认200ms）。

五、G1的调优参数

1. 基础参数：

   • -XX:+UseG1GC：启用G1回收器。
   • -XX:MaxGCPauseMillis=200：设置最大停顿时间目标。
   • -XX:G1HeapRegionSize=16m：手动指定Region大小。

2. 并发标记控制：

   • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45：触发并发标记的老年代占用阈值。

3. 并行线程数：

   • -XX:ParallelGCThreads：设置STW阶段并行线程数（通常为CPU核数）。

六、G1的适用场景与局限性

• 适用场景：

  • 堆内存较大（如6GB以上）的应用。
  • 要求低延迟（如停顿时间低于500ms）的服务。
  • 应对堆内存占用率随时间增长的情况。

• 局限性：

  • 内存占用较高（记忆集和卡表需额外空间）。
  • 写屏障开销可能影响吞吐量。
  • 小堆环境下优势不明显。

七、总结
G1通过Region化布局和回收价值优先策略，实现了可预测的停顿时间与高吞吐量的平衡。其并发标记和混合GC机制有效减少了Full GC的发生，适合现代大内存应用。理解其核心原理和调优方法，有助于在实际生产中合理配置，发挥最大性能。