在 Java 應(yīng)用的運(yùn)行中，垃圾回收（GC）是保障內(nèi)存安全的核心機(jī)制，但傳統(tǒng) GC 如 CMS 和 Parallel GC 常面臨兩大痛點(diǎn)：不可控的停頓時(shí)間和內(nèi)存碎片問題。

例如，CMS 的“并發(fā)模式失敗”可能導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒的 Full GC 停頓，而大內(nèi)存場(chǎng)景下頻繁的 Young GC 和 Mixed GC 可能拖累吞吐量。

G1（Garbage-First）垃圾回收器應(yīng)運(yùn)而生，它以“可控的停頓時(shí)間”為核心設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過分區(qū)（Region）模型和智能回收策略，實(shí)現(xiàn)了低延遲與高吞吐的平衡。

本文將從設(shè)計(jì)思想、核心機(jī)制到實(shí)戰(zhàn)調(diào)優(yōu)，帶你深入理解 G1 如何解決傳統(tǒng) GC 的難題。

G1 分區(qū)模型

Region 分區(qū)模型

G1 將堆內(nèi)存劃分為多個(gè)等大小的 Region（默認(rèn) 1MB-32MB），每個(gè) Region 可以是 Eden、Survivor 或 Old 區(qū)，默認(rèn)是將堆內(nèi)存按照 2048 份均分。

這種靈活的分區(qū)方式打破了傳統(tǒng)代際的物理隔離，允許動(dòng)態(tài)調(diào)整各代內(nèi)存占比。

Region 的角色（年輕代、老年代或大對(duì)象區(qū)）是動(dòng)態(tài)分配的。例如，一個(gè) Region 可能初始作為 Eden 區(qū)，回收后被標(biāo)記為 Survivor 區(qū)，后續(xù)可能轉(zhuǎn)為老年代區(qū)。

大對(duì)象（Humongous 對(duì)象）：若對(duì)象大小超過 Region 的 50%，則分配到連續(xù)的 Humongous Region。此類對(duì)象回收需特殊處理，若空間不足可能觸發(fā) Full GC。

例如，當(dāng)老年代占用過高時(shí)，G1 會(huì)優(yōu)先回收垃圾最多的 Region，而非全堆掃描。

跨代引用的智能追蹤

卡表（Card Table）：記錄跨 Region 的引用關(guān)系。例如，老年代對(duì)象引用年輕代對(duì)象時(shí)，對(duì)應(yīng)的卡表?xiàng)l目會(huì)被標(biāo)記為“臟卡”。

記憶集（RSet）：每個(gè) Region 維護(hù)一個(gè) RSet，存儲(chǔ)其他 Region 對(duì)其內(nèi)部對(duì)象的引用。通過 RSet 快速定位跨 Region 引用，避免全堆掃描。

寫屏障（Write Barrier）：在對(duì)象引用修改時(shí)觸發(fā)，更新卡表和 RSet。例如，當(dāng)老年代對(duì)象引用新生代對(duì)象時(shí)，寫屏障會(huì)記錄該引用。

混合回收（Mixed GC）

混合回收是 G1 的精髓：在一次回收中，同時(shí)處理年輕代和老年代的 Region。

通過計(jì)算回收收益（垃圾量/耗時(shí)），G1 選擇性價(jià)比最高的 Region 集合（Collection Set），在用戶設(shè)定的最大停頓時(shí)間內(nèi)（如 200ms）完成回收。

在邏輯上，G1 分為年輕代和老年代，但它的年輕代和老年代比例，并不是那么“固定”，為了達(dá)到 MaxGCPauseMillis 所規(guī)定的效果，G1 會(huì)自動(dòng)調(diào)整兩者之間的比例。

如果你強(qiáng)行使用 -Xmn 或者 -XX:NewRatio 去設(shè)定它們的比例的話，我們給 G1 設(shè)定的這個(gè)目標(biāo)將會(huì)失效。

G1 的回收過程主要分為 3 類：

1. G1“年輕代”的垃圾回收，同樣叫 Minor GC，這個(gè)過程和我們前面描述的類似，發(fā)生時(shí)機(jī)就是 Eden 區(qū)滿的時(shí)候。
2. 老年代的垃圾收集，嚴(yán)格上來說其實(shí)不算是收集，它是一個(gè)“并發(fā)標(biāo)記”的過程，順便清理了一點(diǎn)點(diǎn)對(duì)象。
3. 真正的清理，發(fā)生在“混合模式”，它不止清理年輕代，還會(huì)將老年代的一部分區(qū)域進(jìn)行清理。

年輕代回收（Young GC）

Chaya：年輕代回收觸發(fā)流程是什么？

Eden 區(qū)占滿時(shí)觸發(fā)，僅回收年輕代 Region。回收流程如下所示：

• 根掃描：標(biāo)記 GC Roots 直接可達(dá)的對(duì)象（如棧幀局部變量、靜態(tài)變量）。
• RSet 處理：通過臟卡隊(duì)列更新 RSet，將老年代對(duì)年輕代的引用加入 GC Roots。
• 復(fù)制存活對(duì)象：將 Eden 和 Survivor 區(qū)的存活對(duì)象復(fù)制到新 Survivor 區(qū)，年齡達(dá)閾值（默認(rèn) 15）則晉升老年代。
• 這個(gè)過程通常是 Stop-The-World（STW）的，即在回收過程中，應(yīng)用程序的其他線程會(huì)被暫停。

混合回收（Mixed GC）

Chaya：混合回收的觸發(fā)條件是什么？

多次回收之后，會(huì)出現(xiàn)很多 Old 老年代區(qū)，此時(shí)總堆占有率達(dá)到閾值（默認(rèn) 45%）時(shí)會(huì)觸發(fā)混合回收 MixedGC。混合回收會(huì)回收 整個(gè)年輕代 + 部分老年代。

回收過程如下：

• 初始標(biāo)記（STW）：標(biāo)記 GC Roots 直接可達(dá)對(duì)象，耗時(shí)短。
• 并發(fā)標(biāo)記：與應(yīng)用線程并行，遍歷堆標(biāo)記存活對(duì)象，使用三色標(biāo)記法（黑、灰、白）避免漏標(biāo)。
• 重新（最終）標(biāo)記（STW）：處理并發(fā)標(biāo)記期間引用變化（通過 SATB 算法保證一致性），修正標(biāo)記結(jié)果。
• 篩選回收：根據(jù) Region 的回收價(jià)值（垃圾占比與回收時(shí)間）選擇 Region 集合（Collection Set），復(fù)制存活對(duì)象并清理。

注意：當(dāng)混合回收無法快速釋放足夠空間時(shí)觸發(fā) Full GC（如大對(duì)象分配失敗），采用單線程標(biāo)記-整理算法，導(dǎo)致長(zhǎng)停頓。

初始標(biāo)記

初始標(biāo)記會(huì)暫停所有用戶線程，只標(biāo)記從 GC Root 可直達(dá)的對(duì)象，所以停頓時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。

采用三色標(biāo)記法進(jìn)行標(biāo)記，三色標(biāo)記法在原有雙色標(biāo)記（黑也就是 1 代表存活，白 0 代表可回收）增加了一種灰色。

三色標(biāo)記法

• 黑色：對(duì)象及其引用均完成標(biāo)記。
• 灰色：對(duì)象已標(biāo)記，但引用未完全處理。
• 白色：未標(biāo)記或待回收對(duì)象。
• 漏標(biāo)問題解決：通過 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）機(jī)制，記錄并發(fā)標(biāo)記開始時(shí)的對(duì)象快照，確保標(biāo)記一致性

并發(fā)標(biāo)記

默認(rèn)線程數(shù)為ParallelGCThreads的 1/4（通過-XX:ConcGCThreads調(diào)整），減少應(yīng)用線程阻塞。

允許系統(tǒng)程序的運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)行"GC Roots"追蹤，追蹤所有存活對(duì)象(間接引用的對(duì)象)。該階段很耗時(shí)，因?yàn)橐粉櫲康拇婊顚?duì)象。但是是并發(fā)運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)影響不大。

GC 開始前所有對(duì)象都是白色，GC 一開始所有根能夠直達(dá)的對(duì)象被壓到棧中，待搜索，此時(shí)顏色是灰色。

然后灰色對(duì)象依次從棧中取出搜索子對(duì)象，子對(duì)象也會(huì)被涂為灰色，入棧。

當(dāng)其所有的子對(duì)象都涂為灰色之后該對(duì)象被涂為黑色。

當(dāng) GC 結(jié)束之后灰色對(duì)象將全部沒了，剩下黑色的為存活對(duì)象，白色的為垃圾。

需要注意的是：由于用戶線程可能同時(shí)在修改對(duì)象的引用關(guān)系，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)標(biāo)的情況。

Chaya:那咋辦呢？

G1 為了解決這個(gè)問題，使用了SATB 技術(shù)（Snapshot At The Beginning， 初始快照）。

在并發(fā)標(biāo)記開始時(shí)，G1 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)堆內(nèi)存的快照，記錄所有存活對(duì)象的初始狀態(tài)。

在最終標(biāo)記階段，系統(tǒng)會(huì)處理并發(fā)期間新增的引用變化，通過寫前屏障（Write Barrier）記錄這些變化，確保新對(duì)象不被錯(cuò)誤回收。

最終標(biāo)記

觸發(fā)時(shí)機(jī)：在并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking）完成后，G1 需要暫停所有應(yīng)用線程（STW），以處理并發(fā)標(biāo)記期間遺漏的引用變化，確保標(biāo)記結(jié)果的準(zhǔn)確性。

核心目標(biāo)：修正并發(fā)標(biāo)記階段因應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行導(dǎo)致的對(duì)象引用變化（如新對(duì)象創(chuàng)建或引用更新），并生成最終的存活對(duì)象快照。

處理漏標(biāo)對(duì)象：通過遍歷卡表（Card Table）中的“臟頁”（記錄引用修改的區(qū)域），重新掃描這些區(qū)域的對(duì)象，修正標(biāo)記狀態(tài)

篩選回收

最終標(biāo)記完成后，G1 根據(jù)停頓時(shí)間目標(biāo)（MaxGCPauseMillis）和Region 回收價(jià)值，選擇最合適的區(qū)域進(jìn)行回收。

優(yōu)先回收垃圾比例高（存活對(duì)象少）的 Region，以最小化回收時(shí)間并最大化內(nèi)存釋放效率。

根據(jù)每個(gè) Region 的存活對(duì)象數(shù)量和回收時(shí)間成本計(jì)算“回收價(jià)值”，優(yōu)先選擇存活率低、回收效率高的 Region 組成回收集（Collection Set, CSet）。

標(biāo)記-復(fù)制算法：將存活對(duì)象從回收集的 Region 復(fù)制到空閑 Region，同時(shí)整理內(nèi)存以減少碎片。

主要步驟如下所示：

構(gòu)建回收集（CSet）：

• 根據(jù) Region 的存活對(duì)象比例和用戶設(shè)定的停頓時(shí)間目標(biāo)（如-XX:MaxGCPauseMillis），動(dòng)態(tài)選擇需要回收的 Region。
• 通常包括所有年輕代 Region（Eden/Survivor）和部分老年代 Region（混合收集模式）

并行遷移存活對(duì)象：

• 暫停應(yīng)用線程（STW），啟動(dòng)多個(gè) GC 線程并行執(zhí)行。
• 將回收集內(nèi)的存活對(duì)象復(fù)制到空閑 Region（如 Survivor 區(qū)或 Old 區(qū)的新 Region），并更新對(duì)象引用指針。

清理與釋放內(nèi)存:

• 清空原 Region 的所有內(nèi)容，將其標(biāo)記為“空閑區(qū)域”。
• 更新Remembered Set（RSet）和卡表，記錄跨 Region 引用的變化。

調(diào)優(yōu)策略與參數(shù)

案例一：年輕代配置

案例：某線上服務(wù)因誤設(shè)-Xmn256m覆蓋 G1 的自動(dòng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致 Eden 區(qū)過小（僅 256MB），頻繁觸發(fā) Young GC（600+次/壓測(cè)），響應(yīng)時(shí)間激增。

解決方案：刪除-Xmn參數(shù)，由 G1 根據(jù)G1NewSizePercent（默認(rèn) 5%）和G1MaxNewSizePercent（默認(rèn) 60%）動(dòng)態(tài)調(diào)整新生代大小，GC 時(shí)間從 25 秒降至 1 秒內(nèi)。

案例二：老年代“擁堵治理”

動(dòng)態(tài)年齡判定：若 Survivor 區(qū)使用超過 50%（TargetSurvivorRatio默認(rèn)值），對(duì)象會(huì)直接晉升老年代。需通過增大 Survivor 區(qū)或降低晉升閾值（MaxTenuringThreshold），避免過早“占道”。

混合回收觸發(fā)閾值：默認(rèn)InitiatingHeapOccupancyPercent=45%（老年代占比），高并發(fā)場(chǎng)景可適度調(diào)低以提前回收，避免 Full GC。

大對(duì)象“專車配送”

大對(duì)象（超過 Region 50%）直接進(jìn)入老年代，類似超重訂單需特殊車輛處理。通過G1HeapRegionSize調(diào)整 Region 大小（如 32MB），或設(shè)置PretenureSizeThreshold控制大對(duì)象閾值，減少內(nèi)存碎片。

Full GC 的應(yīng)急處理

內(nèi)存不足：堆內(nèi)存過小或老年代晉升過快，需檢查-Xmx/-Xms是否一致（建議設(shè)為物理內(nèi)存 75%-80%）。

并發(fā)失敗：若 Mixed GC 無法及時(shí)回收，觸發(fā) Full GC，需優(yōu)化MaxGCPauseMillis或降低InitiatingHeapOccupancyPercent。

啟用 GC 日志：-XX:+PrintGCDetails -Xloggc:/path/gc.log，關(guān)注Full GC關(guān)鍵字及耗時(shí)。

關(guān)鍵調(diào)優(yōu)參數(shù)

• -XX:MaxGCPauseMillis：設(shè)定最大停頓時(shí)間（默認(rèn) 200ms），G1 根據(jù)此目標(biāo)動(dòng)態(tài)調(diào)整回收 Region 數(shù)量.
• -XX:G1HeapRegionSize：手動(dòng)指定 Region 大小（需為 2 的冪次方）。
• -XX:G1MixedGCCountTarget：控制混合回收次數(shù)（默認(rèn) 8 次），分批次回收老年代 Region 以減少單次停頓。
• -XX:G1ReservePercent：預(yù)留堆內(nèi)存（默認(rèn) 10%）防止晉升失敗。

總結(jié)

G1 是一款非常優(yōu)秀的垃圾收集器，不僅適合堆內(nèi)存大的應(yīng)用，同時(shí)也簡(jiǎn)化了調(diào)優(yōu)的工作。通過主要的參數(shù)初始和最大堆空間、以及最大容忍的 GC 暫停目標(biāo)，就能得到不錯(cuò)的性能；同時(shí)，我們也看到 G1 對(duì)內(nèi)存空間的浪費(fèi)較高，但通過首先收集盡可能多的垃圾(Garbage First)的設(shè)計(jì)原則，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)過期對(duì)象，從而讓內(nèi)存占用處于合理的水平。

雖然 G1 也有類似 CMS 的收集動(dòng)作：初始標(biāo)記、并發(fā)標(biāo)記、重新標(biāo)記、清除、轉(zhuǎn)移回收，并且也以一個(gè)串行收集器做擔(dān)保機(jī)制，但單純地以類似前三種的過程描述顯得并不是很妥當(dāng)。

• G1 的設(shè)計(jì)原則是"首先收集盡可能多的垃圾(Garbage First)"。因此，G1 并不會(huì)等內(nèi)存耗盡(串行、并行)或者快耗盡(CMS)的時(shí)候開始垃圾收集，而是在內(nèi)部采用了啟發(fā)式算法，在老年代找出具有高收集收益的分區(qū)進(jìn)行收集。同時(shí) G1 可以根據(jù)用戶設(shè)置的暫停時(shí)間目標(biāo)自動(dòng)調(diào)整年輕代和總堆大小，暫停目標(biāo)越短年輕代空間越小、總空間就越大；
• G1 采用內(nèi)存分區(qū)(Region)的思路，將內(nèi)存劃分為一個(gè)個(gè)相等大小的內(nèi)存分區(qū)，回收時(shí)則以分區(qū)為單位進(jìn)行回收，存活的對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)空閑分區(qū)中。由于都是以相等大小的分區(qū)為單位進(jìn)行操作，因此 G1 天然就是一種壓縮方案(局部壓縮)；
• G1 雖然也是分代收集器，但整個(gè)內(nèi)存分區(qū)不存在物理上的年輕代與老年代的區(qū)別，也不需要完全獨(dú)立的 survivor(to space)堆做復(fù)制準(zhǔn)備。G1 只有邏輯上的分代概念，或者說每個(gè)分區(qū)都可能隨 G1 的運(yùn)行在不同代之間前后切換；
• G1 的收集都是 STW 的，但年輕代和老年代的收集界限比較模糊，采用了混合(mixed)收集的方式。即每次收集既可能只收集年輕代分區(qū)(年輕代收集)，也可能在收集年輕代的同時(shí)，包含部分老年代分區(qū)(混合收集)，這樣即使堆內(nèi)存很大時(shí)，也可以限制收集范圍，從而降低停頓。