1. JVM G1垃圾回收器

1.1. G1 垃圾回收器简介

G1（Garbage-First）是 Java 7 引入，在 Java 9 及以后版本的默认垃圾回收器，专为大内存（8GB~几十GB）、低延迟（可控停顿时间）的场景设计。

1.2. G1 核心设计思路

G1 最大的特点是，将堆内存，分为多个大小相等的 Region。也分新生代和老年代，通过逻辑上来区分。

JVM优化的思路，就是为了尽可能减少Minor GC和Full GC，尽量减少GC带来的系统停顿，避免影响系统处理请求。G1可以帮忙负责达到预期的目标，可以设置预期停顿的时间。

G1 将内存分为多个 Region 后，会追踪每个 Region 里的回收价值（内部有多少垃圾对象，大概需要耗时多久）。然后根据配置的停顿参数及之前回收的情况，会自动选择满足条件的 Region 进行回收。尽量把垃圾回收对系统造成的影响控制在指定的时间范围内，同时在有限的时间内尽量回收尽可能多的垃圾对象。

在G1中，每一个 Region 可能属于新生代，也可能属于老年代。最开始可能是新生代，垃圾回收后，可能会给老年代使用，由G1自动控制。

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如果对象大小超过 Region 的大小，则该对象会横跨多个 Region 来存放。

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1.2.1. 设定G1内存大小

G1 的 Region 大小是自动计算出来的。启动时如果发现使用的是G1垃圾回收器（-XX:+UserG1GC），根据-Xms和-Xmx来设置堆大小，然后会自动用堆大小除以 2048，最多可以有 2048 个 Region，每个 Region 大小必须是2的倍数 （Region大小可以通过手动方式设置：-XX:G1HeapRegionSize）

新生代最开始 Region 占比为 5%（可以通过-XX:G1NewSizePercent来设置），随着系统运行，数量占比逐渐增加，新生代占比不会超过60%（可以通过-XX:G1MaxNewSizePercent来设置）。

1.2.2. 新生代Eden和Survivor

新生代还是分Eden和Survivor区域的<占有不同Region>（新生代参数-XX:SurvivorRatio=8在G1也会使用，来区分Eden和Survivor占比）。随着对象在新生代里变多，属于新生代的Region会增加，Eden和Survivor对应的Region也会增加。

1.3. G1 工作流程

1.3.1. G1 新生代垃圾回收

G1的新生代也有Eden和Survivor的区分，触发垃圾回收的机制是类似的。在新生代Eden的Region中放新对象，新生代对应的Region会越来越多，直到占据堆大小的最大比例60%。

G1会使用复制算法进行垃圾回收，进入Stop the World状态，把Eden对应的Region中的存活对象放入S1对应的Region中，然后整体回收Eden对应的Region。

这个过程和之前是有区别的，因为G1可以设定目标GC停顿时间的，就是G1执行GC的时候最多让系统停顿多少时间，可以通过-XX:MaxGCPauseMills参数来设定，默认值是200ms。

G1会对每个Region追踪回收他需要多少时间、可以回收多少对象。然后自己判定选择回收一部分的Region，保证GC停顿时间控制在指定范围内，同时尽可能多的回收掉一些对象。

1.3.2. 进入老年代Region条件

  1. 躲过很多次垃圾回收（可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置）
  2. 动态年龄判断（某次GC后存活对象大小超过S区50%，大于超过的对象年龄的对象进入老年代）

1.3.3. 大对象Region

在G1中，大对象的判定规则是对象大小超过Region大小的50%。大对象占用单独的Region，不进入老年代，如果对象大小超过Region，会横跨多个Region来存放（新生代和老年代回收也会判断大对象是否需要回收）。

1.3.4. 新生代+老年代的混合垃圾回收

G1中有一个参数，-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，默认值是45%。如果老年代占据了堆内存的45%的Region的时候，就会尝试触发 新生代+老年代 一起回收的混合回收阶段。

初始标记

垃圾回收时，第一阶段，初始标记，需要进入Stop the World状态，仅仅是标记一下 GC Roots 直接能引用的对象（方法区中的类静态变量、局部变量直接引用等），这个过程会很快。

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并发标记

第二阶段，并发标记，业务系统会继续运行，同时去追踪初始标记中的对象，追踪引用的存活对象。这个过程很耗时，但是业务系统可以并行运行，所以影响不大。JVM也会对并发标记阶段对象的修改记录起来（eg：对象新建，对象失去引用等）。

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最终标记

第三阶段，最终标记，需要进入Stop the World状态，会根据并发标记阶段记录的对象改变数据，最终标记一下这些对象的存活状态。

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混合回收

最后阶段，混合回收，这个阶段会计算每个 Region 中存活对象数量占比 及 执行垃圾回收的性能和效率。然后会停止系统运行，根据设置的预期停顿时间，自己评估选择部分 Region 进行回收。

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  • 注意：老年代堆内存占比达到45%的时候，触发的是“混合回收”（不仅仅是回收老年代，还会回收新生代及大对象）。

回收相关参数

回收阶段可以停止多次进行回收，通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置最后一个阶段执行几次回收（默认8次），就是先停止工作，执行一次混合回收回收掉一些 Region，然后恢复系统运行，再次停止系统运行，又执行一次混合回收回收掉一些 Region，反复8次。这样可以尽可能让系统不要停顿时间过长，可以在多次回收的间隙，也运行一下业务系统。

回收时根据参数-XX:G1HeapWastePercent(默认5%)判断，在混合回收的时候，对 Region 回收是基于复制算法进行的（没有内存碎片），把要回收的 Region 里的存活对象放入其他 Region，然后这个 Region 中的对象全部清理掉，如果空闲Region达到堆内存的5%，停止混合回收，本次混合回收就结束。

回收限制 Region 的参数-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默认85%)，指的是存活对象低于85%的 Region，才可以回收。因为一个Region的存活对象多余85%，要把85%的对象都拷贝到其他 Region，成本是很高的。

回收失败时的 Full GC

进行Mixed回收的时候，无论是年轻代还是老年代都基于复制算法进行回收，就是要把各个 Region 的存活对象拷贝到其他 Region 里去。

拷贝过程中发现没有可以承载存活对象的 Region，就会触发一次失败，一旦失败，就会停止系统运行，采用单线程进行标记、清理和压缩整理，空闲出来一批 Region，这个过程是极慢的。

1.4. G1 优缺点

  • 优势：

    • 高吞吐量
    • 低延迟（可控停顿时间）
    • 适合大堆（8GB+）

  • 劣势：

    • 内存占用较高（RSet 和 SATB 维护开销）
    • 小堆场景不如 Parallel GC 高效

  • 调优建议：

    • 避免 Full GC：
      • 确保 InitiatingHeapOccupancyPercent 设置合理
      • 增加 G1ReservePercent 预留空间

1.5. 总结

  • JDK 9+：
    • 默认 G1，平衡吞吐量和延迟。
    • 超低延迟 → ZGC（Oracle JDK）或 Shenandoah（OpenJDK）。

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