G1垃圾收集器原理与调优

G1（Garbage First）是 JDK 9+ 的默认垃圾收集器，设计目标是替代 CMS，在可预测的停顿时间内获得最高吞吐量。

G1 的设计目标

1. 可预测的停顿时间：设置目标停顿时间，G1 尽量遵守
2. 高吞吐量：整体吞吐量不低于 CMS
3. 无内存碎片：采用复制算法，整理内存

Region 化的堆结构

┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│ E  │ S  │ O  │ O  │ H  │ E  │ S  │ O  │ E  │ O  │
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘

E = Eden Region（年轻代）
S = Survivor Region
O = Old Region（老年代）
H = Humongous Region（大对象，占连续多个Region）

Region大小：1MB, 2MB, 4MB, 8MB, 16MB, 32MB

大对象处理：

• 对象 > 0.5 Region：放入 Humongous Region
• 对象 > 1 Region：占用连续多个 Humongous Region
• Humongous Region 直接分配在老年代

核心数据结构

Remembered Set（记忆集）

每个Region维护一个RSet，记录哪些Region引用了本Region的对象

Region A (Old)
├── RSet: [Region B, Region C]
│     └── Region B (Eden) 引用了 A 中的对象
│     └── Region C (Old)   引用了 A 中的对象

作用：避免全堆扫描，Minor GC 时只需扫描相关 Region。

Collection Set（CSet）

每次 GC 选择的一组 Region，是需要被回收的候选区域。

G1 的回收过程

Young GC

阶段1：选择所有 Eden + Survivor Region 进入 CSet
阶段2：复制存活对象到新的 Survivor / Old Region
阶段3：清空回收的 Region

Eden Region × 10 + Survivor Region × 2
         ↓
    复制存活对象
         ↓
Survivor Region × 1（或晋升到 Old）

特点：

• 完全 stop-the-world
• 多线程并行复制
• 目标是尽快完成

Concurrent Marking Cycle（并发标记周期）

当堆内存使用率达到阈值时触发：

1. Initial Mark（初始标记）

STW，标记 GC Roots 直接引用的对象
依附于 Young GC，几乎无额外开销

2. Root Region Scanning（根区域扫描）

扫描 Survivor Region 中引用老年代的对象
并发执行，必须在 Young GC 前完成

3. Concurrent Mark（并发标记）

从 GC Roots 开始遍历整个堆，标记存活对象
与用户线程并发执行
使用 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）算法

SATB 算法：

• 标记开始时做一个快照
• 并发期间新分配的对象默认存活
• 通过 write barrier 记录引用变化

4. Remark（重新标记）

STW，处理 SATB 队列中的引用变化
比 CMS 的重新标记快（SATB 比 Incremental Update 高效）

5. Cleanup（清理）

STW，统计存活对象，识别完全空闲的 Region
并发清理空闲 Region

Mixed GC

并发标记完成后，G1 知道哪些 Region 垃圾最多，开始 Mixed GC：

回收策略：
1. 所有 Eden Region（必须回收）
2. 所有 Survivor Region（必须回收）
3. 部分垃圾最多的 Old Region（根据停顿目标选择数量）

目标：在 MaxGCPauseMillis 内回收尽可能多的垃圾

关键参数

基本参数

# 启用G1
-XX:+UseG1GC

# 目标最大停顿时间（默认200ms）
-XX:MaxGCPauseMillis=200

# Region大小（默认根据堆大小计算）
-XX:G1HeapRegionSize=16m

# 触发并发标记的堆占用率（默认45%）
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

进阶参数

# 年轻代大小（G1会自动调整，不建议手动设置）
# -Xmn 或 -XX:NewRatio 不推荐与G1一起使用

# 保留多少空闲Region（默认10%）
-XX:G1ReservePercent=10

# 并发线程数
-XX:ConcGCThreads=4

# 并行线程数
-XX:ParallelGCThreads=8

# 每个Region的 Remembered Set 占用空间（默认5%）
-XX:G1RSetUpdatingPauseTimePercent=5

# 大对象阈值（Region大小的百分比，默认50%）
-XX:G1HeapWastePercent=5

# 触发Mixed GC的阈值（默认老年代占比45%）
-XX:G1MixedGCCountTarget=8
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=85

调优策略

1. 调整停顿时间目标

# 如果 GC 频繁但停顿短
-XX:MaxGCPauseMillis=100

# 如果 GC 次数少但停顿长
-XX:MaxGCPauseMillis=500

注意：停顿时间和吞吐量是反比关系，需要平衡。

2. 避免大对象

// 大对象直接进入Humongous Region，难以回收
byte[] hugeArray = new byte[100 * 1024 * 1024];  // 100MB

// 解决方案：拆分为小对象或复用缓冲区

3. 监控指标

# 打印GC日志
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:/path/to/gc.log

# JDK 9+ 统一日志
-Xlog:gc*:file=/path/to/gc.log:time,uptime,level,tags

4. 常见问题

Evacuation Failure（晋升失败）

日志：to-space exhausted
原因：复制存活对象时，Survivor/Old 空间不足
解决：
- 增大堆内存
- 降低 MaxGCPauseMillis（回收更多Region）
- 提前触发并发标记（降低 IHOP）

Humongous Allocation Failure

日志：G1 Humongous Allocation
原因：大对象分配失败
解决：
- 避免大对象
- 增大Region大小
- 增大堆内存

G1 vs CMS

特性	G1	CMS
算法	复制+整理	标记-清除
碎片	无	有
停顿时间	可预测	较短但不可预测
内存占用	较高（RSet）	较低
大对象	Region化	直接入Old
调优复杂度	简单	复杂
推荐版本	JDK 9+	JDK 8 及之前

生产环境配置示例

# 16GB 堆内存，目标停顿 200ms
java \
  -Xms16g -Xmx16g \
  -XX:+UseG1GC \
  -XX:MaxGCPauseMillis=200 \
  -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=35 \
  -XX:+PrintGCDetails \
  -XX:+PrintGCDateStamps \
  -Xloggc:/var/log/app/gc.log \
  -jar application.jar

总结

G1 通过 Region 化和 Remembered Set，实现了：

1. 可预测的停顿时间：控制每次回收的 Region 数量
2. 无内存碎片：复制算法整理内存
3. 高并发友好：多数阶段与用户线程并发

对于大多数现代 Java 应用，G1 是首选收集器。调优的核心是找到停顿时间和吞吐量的最佳平衡点。