G1垃圾回收器的原理

G1垃圾回收器的原理详解

G1（Garbage First）垃圾回收器是Java HotSpot虚拟机的一种面向服务器应用的垃圾收集器，设计目标是替代传统的CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾收集器，提供更好的可预测性和更高的吞吐量，尤其适用于具备大内存、多核处理器的环境。G1垃圾收集器在JDK 7u4之后正式引入，成为一种低延迟、高效的垃圾回收解决方案。

1. 垃圾收集的背景知识

在了解G1之前，先简单回顾一下Java中的垃圾收集。Java虚拟机通过垃圾收集器（GC）来管理内存回收。传统的GC模型将堆内存划分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。年轻代主要存放新分配的对象，而老年代则保存那些经过多次垃圾回收仍然存活的对象。

年轻代的垃圾回收（Minor GC）比较频繁，主要采用"复制算法"来进行。而老年代的垃圾回收（Major GC 或 Full GC）通常涉及更复杂的操作，CMS就是一种并发的、以最小化停顿为目的的老年代垃圾收集器，但它在内存碎片管理、暂停时间预测等方面存在一定局限。

2. G1的设计目标

G1垃圾收集器的设计目的是提供更好的停顿时间控制，并在大内存应用中实现高效的并发垃圾收集。它的主要设计目标包括：

• 可预测的暂停时间：允许用户指定停顿时间目标，并基于此动态调整垃圾收集策略。
• 减少内存碎片：通过分区的堆结构以及增量式垃圾回收减少内存碎片的产生，提升内存利用效率。
• 吞吐量和响应时间的平衡：G1在保证响应时间的前提下也关注系统的吞吐量，通过并行和并发回收提高整体效率。

3. G1垃圾收集器的堆结构

G1与传统的垃圾收集器（如Serial GC、CMS等）不同，它不再将堆划分为连续的年轻代和老年代，而是将整个堆分为若干个相等大小的Region（区域）。每个Region的大小可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize设置，通常在1MB到32MB之间。堆内存被分割成若干个Region，这些Region在逻辑上依然属于年轻代或老年代的一部分，但它们在物理上是相互独立的。

在G1中，堆区域分为四类：

• Eden区：分配新对象时使用，属于年轻代的一部分。
• Survivor区：存活对象从Eden区复制到此处，属于年轻代的一部分。
• Old区：经过多次GC后依然存活的对象将被移动到此处，属于老年代。
• Humongous区：用于存储巨大的对象，通常是超过Region大小50%以上的对象。

这种分区策略的好处是，G1可以灵活地选择哪些Region进行垃圾回收，避免对整个堆进行扫描，从而减少了不必要的开销。

4. G1的垃圾收集过程

G1垃圾收集器的回收过程可以分为以下几种类型：

4.1. 年轻代垃圾回收（Young GC）

年轻代垃圾回收类似于传统的"复制算法"。当Eden区满时，G1触发年轻代垃圾回收。首先，它会暂停所有应用线程（STW，Stop-The-World），然后将Eden区的存活对象复制到Survivor区，或者直接晋升到老年代（Old区）。回收完成后，所有应用线程恢复运行。

年轻代垃圾回收的效率通常很高，因为Eden区的对象大多是短生命周期的，因此很快就被回收。这个阶段使用并行的多线程操作，最大化回收效率。

4.2. 混合回收（Mixed GC）

当老年代的使用量达到一定阈值时，G1会启动一种称为混合回收（Mixed GC）的操作。混合回收不仅回收年轻代的Region，还会选择性地回收老年代的Region。这个操作与传统的老年代Full GC不同，它的目标是分阶段、部分地回收老年代，而不是一次性清理整个老年代。

混合回收的特点是能够控制停顿时间：它不会每次都回收所有的老年代Region，而是只回收那些回收收益高的Region。这就是G1名称中的“Garbage First”的来源——优先回收垃圾最多的Region，以达到高效的内存清理。

4.3. 并发标记（Concurrent Marking）

G1与CMS类似，也是一种基于标记-清除的垃圾收集器。在后台执行的并发标记阶段，G1首先要找出堆中哪些对象是存活的。这个过程分为几个步骤：

• 初始标记（Initial Marking）：该阶段与年轻代垃圾回收结合，标记从GC Roots可达的对象，并进行STW。
• 并发标记（Concurrent Marking）：该阶段不停止应用线程，遍历整个堆并标记存活对象。
• 重新标记（Remarking）：STW阶段，完成在并发标记期间发生变化的对象标记。
• 清理阶段（Cleanup）：选择可回收的Region，并准备进行Mixed GC回收。

并发标记允许G1在应用运行的同时标记垃圾，避免了全堆扫描带来的长时间停顿问题。

5. 可预测的停顿时间

G1的一个显著特点是，它允许用户设置最大停顿时间目标（-XX:MaxGCPauseMillis），并且G1会根据这个目标动态调整垃圾回收的工作量。具体而言，G1会基于回收历史数据，估算每个Region的回收成本和收益，并选择一批收益最高的Region进行回收。

通过这种方式，G1能够在保持较高的吞吐量的同时，尽可能将停顿时间控制在用户指定的范围内。例如，如果用户将停顿时间设置为200ms，G1会根据这个目标决定每次回收时回收多少Region，以确保停顿时间不超过目标。

6. Humongous对象处理

在Java应用中，有时会创建非常大的对象（如大型数组或字符串）。这些对象的大小可能超过一个Region的大小（通常50%及以上），被称为Humongous对象。G1为这类对象专门提供了Humongous区，它由连续的Region来存放这些巨型对象。

由于Humongous对象会占用多个Region，G1在处理这些对象时会采取特别的优化策略，以避免它们对回收性能产生过大的影响。例如，在垃圾回收时，G1会优先标记和处理这些对象，以确保内存资源得到有效利用。

7. 内存碎片管理

相比CMS，G1在内存碎片管理方面有显著优势。CMS由于采用标记-清除算法，回收时会产生大量的内存碎片，导致分配大对象时内存不连续。而G1采用**标记-整理（Mark-Compact）**算法，在回收时会将存活对象压缩到一块连续的内存空间中，避免了内存碎片问题。

这种整理机制使得G1能够在老年代中保持高效的内存利用率，从而提升分配大对象的效率，减少内存分配失败的概率。

8. G1与其他垃圾回收器的对比

• 与CMS相比：G1在延迟控制和内存碎片管理上比CMS更优秀。CMS会产生内存碎片，而G1通过标记-整理机制避免了这个问题。CMS的回收不可预测，容易触发冗长的Full GC，而G1通过增量回收避免了这一点。
• 与Parallel GC相比：Parallel GC关注的是最大化吞吐量，通常在停顿时间和并发执行之间做出妥协。而G1则更加关注延迟控制，特别是在大内存应用场景中，可以通过设定最大停顿时间实现更可预测的垃圾回收。
• 与ZGC、Shenandoah相比：ZGC和Shenandoah是更现代的垃圾收集器，它们在停顿时间和并发处理上更进一步，特别适合对延迟有极高要求的应用。而G1在这些应用上表现略逊，但在吞吐量和延迟之间仍能保持良好的平衡。

9. 总结

G1垃圾收集器是一种设计精良的垃圾收集器，特别适用于大内存和多核环境。它通过分区的堆布局和增量式的垃圾回收机制，提供了对老年代和年轻代的高效回收，并且通过用户定义的停顿时间目标实现了更好的可预测性。相比CMS和传统的并行GC，G1在内存碎片管理、延迟控制、并发标记等方面有显著改进。

原文地址：https://blog.csdn.net/Flying_Fish_roe/article/details/142374685

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