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JVM(12)——详解G1垃圾回收器

news 来源：原创 2025/6/25 11:16:38

G1（Garbage-First）垃圾回收器。它是现代 Java 应用中默认的垃圾回收器（自 JDK 9 起），旨在提供一个高性能、可预测停顿时间（低延迟）的解决方案，尤其适合大内存（多GB甚至TB级别）和多核处理器的服务器环境。

一、G1 的设计目标与定位

取代 CMS 和 Parallel Scavenge:
- CMS（Concurrent Mark-Sweep）虽然低延迟，但存在内存碎片化、无法处理浮动垃圾导致 Full GC 等问题，且对堆大小有限制。
- Parallel Scavenge（吞吐量优先）追求高吞吐量，但无法提供可预测的停顿时间。
核心目标:
- 可预测的停顿时间模型： 允许用户指定期望的最大 GC 停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis，默认 200ms），G1 会尽力满足这个目标。
- 高吞吐量： 在满足停顿时间目标的前提下，尽可能提高应用吞吐量。
- 适应大堆： 能够高效地管理从几百MB到几十TB大小的堆内存。
关键特性:
- 并发与并行： 利用多核优势，在应用线程运行的同时执行部分 GC 工作（并发），并在需要停顿的阶段使用所有可用 CPU 资源并行处理（并行）。
- 分代收集： 仍然遵循分代假说（大多数对象朝生夕死），但物理上不再严格划分为连续的年轻代和老年代区域。
- 空间整合： 使用复制算法进行回收，有效避免 CMS 带来的内存碎片问题。
- 可扩展性： 设计上能更好地利用现代多核 CPU 和大内存硬件。

二、核心概念：Region 化堆 (Heap Regionization)

这是 G1 区别于之前回收器的最根本设计。

堆划分： G1 将整个 Java 堆划分为多个大小相等（默认约 1MB 到 32MB，具体大小根据堆初始值和最大值的平均值除以约 2048 决定）的独立内存区域，称为 Region。
Region 类型： 每个 Region 在任意时刻都被赋予一个特定的角色：
- Eden Region： 存放新创建的对象（属于年轻代）。
- Survivor Region： 存放年轻代 GC 后存活的对象（属于年轻代）。
- Old Region： 存放存活时间较长、经过多次年轻代 GC 后仍然存活的对象（属于老年代）。
- Humongous Region： 专门用于存储巨型对象（大小超过单个 Region 容量 50% 的对象）。一个巨型对象可能占用一个或多个连续的 Humongous Region。
- 空闲 Region： 未分配的可用空间。
动态角色转换： Region 的角色不是固定的。在一次 GC 后，一个 Eden Region 被清空后可以变成 Survivor 或 Old Region，或者被释放为空闲 Region。一个 Survivor Region 在对象晋升后可以变成 Old Region。
优势：
- 灵活的堆管理： 不再需要预先固定年轻代和老年代的大小比例，允许根据回收效率和停顿目标动态调整各代占用的 Region 数量。
- 可预测停顿的基础： GC 的工作可以集中在包含最多垃圾（Garbage-First 名字的由来）的 Region 集合上，而不是扫描整个堆或整个老年代，使得每次回收的时间更可控。
- 增量回收： 每次 GC 可以只处理一部分 Region。

三、核心数据结构：Remembered Sets (RSet) 和 Collection Sets (CSet)

Remembered Set (RSet)：
- 目的： 解决跨 Region 引用问题。一个 Region 中的对象可能被其他 Region 中的对象引用（跨代引用或同代不同 Region 引用）。为了避免在回收一个 Region 时扫描整个堆来确定对象是否存活，G1 为每个 Region 维护一个 RSet。
- 原理： RSet 本质上是一个指向该 Region 的“外来指针”的集合（更准确地说，是记录哪些其他 Region 包含指向本 Region 的引用）。它是一个Points-Into 结构。
- 实现： 通常使用哈希表或卡表（Card Table）的变体实现，粒度比传统卡表更细（可能是卡页的一部分）。
- 维护： 写屏障（Write Barrier）负责检测应用线程对对象引用的写操作（如 obj.field = otherObj）。如果这个写操作导致了一个跨 Region 的引用（例如，obj 在 Region A，otherObj 在 Region B），那么写屏障会将被修改的引用所在的卡页（或更细粒度）标记为“脏”，并将相关信息记录到otherObj所在 Region B 的 RSet 中（表示 Region A 有对象指向 Region B）。
- 重要性： RSet 是 G1 实现部分收集（Partial GC） 的关键。当回收某个 Region 时，只需扫描该 Region 内部的对象和其 RSet 中记录的引用来源 Region，即可确定该 Region 中对象的存活状态，避免扫描整个堆，大大减少了 GC 的工作量。
Collection Set (CSet)：
- 目的： 定义在一次 GC 周期（通常是 Young GC 或 Mixed GC）中哪些 Region 将被回收。
- 选择策略：
  - 年轻代回收： CSet 包含所有 Eden Region 和 Survivor Region（即整个年轻代）。
  - 混合回收： CSet 包含所有年轻代 Region（Eden + Survivor）加上根据预测模型和停顿时间目标精心挑选出的一部分垃圾比例高（Garbage-First）的老年代 Region。
- 决策依据： G1 根据 Region 的垃圾比例（可回收空间）、回收所需时间（复制存活对象的成本）以及用户设置的 MaxGCPauseMillis 目标，动态计算并选择一组 Region 加入 CSet，使得回收这组 Region 的预期时间接近但不超出目标停顿时间。
- 意义： CSet 是实现可预测停顿的核心机制。通过控制每次回收处理的 Region 集合的大小（垃圾量），G1 能够控制每次 GC 停顿的时长。

四、G1 的 GC 周期 (Garbage Collection Cycle)

G1 的 GC 活动不再严格区分 Minor GC 和 Major GC，而是组织成一个持续的、由不同阶段组成的周期：

年轻代回收 (Young-only Phase):
- 触发条件： 当 Eden Region 被填满时触发。
- 过程：
  - Stop-The-World (STW): 暂停所有应用线程。
  - 根扫描： 从 GC Roots（栈、寄存器、全局变量、JNI 引用等）开始扫描。
  - 更新/处理 RSet： 处理在并发标记阶段记录的引用变化（SATB 缓冲区）。
  - 对象拷贝： 并行地将 CSet（所有 Eden + Survivor Region）中的存活对象复制到新的 Survivor Region 或（如果对象年龄达到阈值 -XX:MaxTenuringThreshold）直接晋升到 Old Region。复制过程使用复制算法。
  - 清空 CSet： 回收的 Region 被清空并放回空闲 Region 列表。
  - 调整 Survivor 数量： 根据停顿目标动态调整下次 Young GC 使用的 Survivor Region 数量。
- 特点： 只回收年轻代 Region。频繁发生，但通常停顿时间较短。
并发标记周期 (Concurrent Marking Cycle):
- 触发条件： 当整个堆的使用率超过一个阈值（-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent, IHOP, 默认 45%）时启动。这个周期为后续的混合回收识别出老年代中垃圾比例高的 Region。
- 阶段 (部分并发，部分 STW):
  - 初始标记 (Initial Mark - STW): 短暂停顿，标记所有从 GC Roots 直接可达的对象。通常借道一次 Young GC 完成（因为 Young GC 本身就需要扫描根）。
  - 根区域扫描 (Root Region Scanning - Concurrent): 扫描 Survivor Region（作为根区域，因为它们可能引用老年代对象），完成后才能开始下一次 Young GC。
  - 并发标记 (Concurrent Marking - Concurrent): 与应用线程并发执行，遍历对象图，标记所有可达（存活）对象。使用 SATB (Snapshot-At-The-Beginning) 算法保证标记一致性：在标记开始时对对象图做逻辑快照，标记过程中新分配的对象视为存活，并发期间删除的引用通过写屏障记录在 SATB 缓冲区，在后续阶段处理。
  - 最终标记 (Remark - STW): 短暂停顿，处理 SATB 缓冲区，完成标记过程。进行全局引用处理（如类卸载准备）和弱引用处理。
  - 清理 (Cleanup - STW & Concurrent):
    - STW 部分： 统计每个 Region 中存活对象的数量，排序 Region（根据可回收空间），识别完全空闲的 Region 并回收。为混合回收选择初始的候选老年代 Region集合。
    - Concurrent 部分： 执行实际的内存回收（如重置空 Region）和 RSet 清理。
- 产出： 得到一份老年代 Region 的垃圾比例排序列表，供混合回收使用。
混合回收 (Mixed Collection Phase):
- 触发条件： 在并发标记周期完成后立即开始（如果老年代中有足够多的可回收 Region）。
- 过程： 类似于 Young GC，但是 CSet 不仅包含所有年轻代 Region（Eden + Survivor），还包含一部分（根据停顿目标选择）在并发标记周期中识别出的垃圾比例高的老年代 Region。
- 特点：
  - 在一次 STW 停顿中，同时回收年轻代和部分老年代。
  - 可能会有多次连续的 Mixed GC，直到回收了足够多的老年代空间（达到 IHOP 阈值以下，或没有足够高垃圾比例的老年代 Region 了）。
  - 这是 G1 回收老年代的主要方式，避免了 Full GC。
Full GC (Serial Full GC - 备选):
- 触发条件 (应尽量避免):
  - 晋升失败（年轻代 GC 时 Survivor 和 Old 空间都不足）。
  - 混合回收速度跟不上应用分配新对象的速度（并发标记周期完成前堆就满了）。
  - 大对象分配找不到足够的连续 Humongous Region。
  - 元空间（Metaspace）不足。
- 过程： G1 会退化使用 Serial Old GC 算法（单线程的 Mark-Sweep-Compact），对整个堆进行标记-清除-压缩。停顿时间非常长！
- 目标： 通过调整参数（堆大小、IHOP、GC线程数等）和优化应用（减少内存分配、减少大对象、避免过早晋升）来完全避免 Full GC。

五、G1 的优势

可预测的低延迟： 通过 MaxGCPauseMillis 控制目标停顿时间，适合需要响应时间的应用（如 Web 服务、交易系统）。
高吞吐量： 在满足停顿时间目标的前提下，利用多核并行处理，保持较高的应用吞吐量。
大堆高效管理： Region 化设计和部分收集机制使其能有效管理超大堆内存。
空间整合： 基于复制的回收算法避免了内存碎片问题。
设计先进： 并发标记、SATB、精细的 RSet 等机制充分利用现代硬件。

六、G1 的劣势与调优考虑

内存占用 (Footprint):
- RSet 需要额外内存开销（通常堆的 5%-20%）。
- 写屏障（维护 RSet 和 SATB）会带来一定的运行时开销（CPU）。
更复杂的调优：
- -XX:MaxGCPauseMillis：设置合理的目标（太激进会导致频繁 GC 降低吞吐量，太宽松则失去意义）。不要期望设置为 10ms 就能达到，需要根据硬件和应用实际情况调整。
- -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：触发并发标记周期的堆占用阈值。如果 Mixed GC 回收速度跟不上对象晋升速度导致过早 Full GC，可能需要降低 IHOP。如果并发标记启动过早（老年代垃圾不多），可以适当提高。
- -XX:ConcGCThreads / -XX:ParallelGCThreads：控制并发和并行阶段的线程数。
- -XX:G1NewSizePercent / -XX:G1MaxNewSizePercent：虽然动态调整，但仍可设置年轻代大小的上下限。
- -XX:G1HeapRegionSize：显式设置 Region 大小（通常是 2 的幂，1MB~32MB）。巨型对象大小会影响 Region Size 的选择。
巨型对象 (Humongous Objects)：
- 分配和回收可能更复杂（需要连续 Region）。
- 频繁分配/释放大对象可能导致堆碎片（虽然 G1 能避免传统碎片，但对 Humongous 连续空间需求可能造成问题）或过早 Full GC。尽量优化应用避免过多大对象。

七、何时使用 G1？

应用需要较低的、可预测的停顿时间（如延迟敏感型服务）。
运行在大内存（>=6GB） 的服务器上。
Full GC 不可接受 或需要避免（通过 G1 的 Mixed GC 机制）。
应用有中等或较高的吞吐量要求（在满足延迟前提下）。
JDK 8 update 40 或更高版本（生产环境建议用较新稳定版 JDK 11/17/21）。

八、总结

G1 垃圾回收器是 JVM 垃圾回收技术的一个重要里程碑。它通过 Region 化堆、Remembered Set、Collection Set 和并发标记等创新设计，在提供可预测低停顿时间的同时，兼顾了高吞吐量，并有效解决了大堆管理和内存碎片问题。虽然调优相对复杂且有一定内存开销，但它已成为现代 Java 应用（特别是服务端应用）默认且推荐的垃圾回收器。