JVM(12)——详解G1垃圾回收器

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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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)

1. 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。

2. 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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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

1. 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）。

2. 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。

3. 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。

4. 空间整合： 基于复制的回收算法避免了内存碎片问题。

5. 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

1. 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）。

2. 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。

3. 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。