一、G1 垃圾回收器概述

G1（Garbage-First Garbage Collector）是 Java 7 引入的现代化垃圾回收器，专为大内存、多核 CPU 环境设计，核心目标是控制垃圾回收停顿时间，同时兼顾吞吐量。其设计颠覆了传统分代回收器（如 Parallel GC、CMS）的固定分代模型，采用动态分代 + Region 化内存管理，通过精细化的分代策略和停顿优化算法，实现了可预测的低停顿垃圾回收。

二、G1 的分代设计：从 “固定分代” 到 “动态 Region”

1. 打破固定分代：Region 化内存布局

• Region 基本概念：
  G1 将堆内存划分为多个大小相等（1MB~32MB，由 -XX:G1HeapRegionSize 动态确定）的Region，每个 Region 可动态扮演以下角色：

  • Eden Region：存储新创建的对象（新生代）。
  • Survivor Region：存储经历一次 Minor GC 后存活的对象（新生代）。
  • Old Region：存储多次 GC 后仍存活的对象（老年代）。
  • Humongous Region：存储大小超过单个 Region 50% 的大对象（连续多个 Region 组成）。

• 分代的动态性：
  传统分代回收器（如 Serial GC）的新生代、老年代是固定物理区域，而 G1 的分代是逻辑概念：

  • 新生代由多个不连续的 Eden 和 Survivor Region 组成，占比动态变化（默认不超过堆的 50%）。
  • 老年代由晋升的 Old Region 组成，无需连续内存，避免碎片化。

• Humongous Region 设计：
  大对象直接分配到 Humongous Region（连续多个 Region），避免频繁触发 Full GC（传统回收器中大对象易填满老年代），同时通过 Region 化管理降低大对象回收成本。

2. 分代回收的核心逻辑

• 新生代回收（Minor GC）：

  • 仅回收 Eden 和 Survivor Region（存活对象晋升至 Old 或新 Survivor）。
  • 基于复制算法，将存活对象复制到新的 Survivor/Old Region，清空原 Region，效率高且无碎片。

• 混合回收（Mixed GC）：

  • 当老年代占用超过阈值（-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，默认 45%）时触发。
  • 回收所有新生代 Region + 部分老年代 Region（根据 “回收收益” 排序，优先处理垃圾占比高的 Old Region），避免全堆扫描。

• 分代与跨代引用：

  • 通过 Remembered Sets（RSet） 记录本 Region 对象对其他 Region 对象的引用，避免 GC 时扫描全堆。
  • 每个 Region 维护一个 RSet，由 Card Table（全局结构，记录堆中对象所属 Region）辅助更新，大幅减少跨代引用的扫描范围。

三、G1 的停顿优化：如何实现可预测的低延迟

1. 可预测的停顿时间模型

• 用户目标驱动：
  通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置期望的最大停顿时间（默认 200ms），G1 基于此动态调整每次回收的 Region 数量和类型：
  • 优先回收垃圾占比高的 Region（“Garbage-First” 名称由来），确保单位时间内回收效率最大化。
  • 新生代回收时，根据历史数据估算停顿时间，动态调整新生代大小（Eden/Survivor Region 数量）。

2. 关键技术实现

（1）并发标记与增量回收

• 标记阶段流程：

  • 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接引用的对象，时间极短（仅扫描新生代）。
  • 并发标记：与应用程序并行执行，遍历整个堆，标记可达对象，期间通过 SATB（Snapshot At The Beginning） 算法记录增量引用变化。
  • 重新标记（STW）：处理并发标记阶段遗漏的对象（基于 SATB 日志），时间短于 CMS 的重新标记。
  • 筛选回收（STW）：根据停顿目标选择待回收的 Region，执行复制 / 清理算法。

• 并发标记的优势：
  避免传统回收器（如 CMS）在标记阶段的长时间 STW，将大部分标记工作与应用程序并行执行，减少总停顿时间。

（2）Region 化细粒度回收

• 局部化回收：
  每次 GC 仅处理部分 Region（新生代或部分老年代），而非全堆回收。例如：

  • 新生代回收时，仅涉及少量 Eden/Survivor Region，停顿时间与 Region 数量正相关（而非堆大小）。
  • 混合回收时，通过 “回收收益” 排序（G1 维护每个 Region 的垃圾占比），优先处理垃圾多的 Old Region，在目标时间内完成高价值回收。

• 内存整理：
  基于复制算法（新生代）和部分标记 - 整理算法（老年代），回收后 Region 被清空或紧凑，避免内存碎片，减少 Full GC 概率。

（3）Remembered Sets（RSet）的作用

• 跨代引用的本地化：
  RSet 记录本 Region 对象对其他 Region 对象的引用，使得 GC 时只需扫描当前 Region 的 RSet，而非全堆。例如：
  • 当回收某个 Old Region 时，通过 RSet 快速找到所有引用该 Region 对象的外部引用（来自其他 Region），避免全局扫描。
  • 减少标记阶段的工作量，尤其在老年代回收时，大幅降低跨代引用的处理成本。

3. 与传统分代回收器的对比

特性	G1	传统分代回收器（如 Parallel GC、CMS）
分代方式	动态 Region（逻辑分代）	固定物理分代（新生代 / 老年代）
内存布局	不连续 Region	连续内存区域（新生代 / 老年代需连续）
停顿控制	可预测（基于 MaxGCPauseMillis）	不可预测（依赖堆大小和对象分布）
跨代引用处理	RSet 本地化扫描	全堆扫描或全局 Card Table（效率较低）
大对象处理	Humongous Region 分块管理	直接进入老年代（易触发 Full GC）
碎片问题	复制算法 + 局部整理，几乎无碎片	标记 - 清除可能产生碎片（CMS）

四、G1 的适用场景与局限性

1. 适用场景

• 大内存应用：堆内存 4GB+，Region 化设计减少全堆操作开销。
• 低延迟敏感场景：如 Web 服务器、微服务（需控制请求响应时间），通过 MaxGCPauseMillis 避免长时间 STW。
• 混合工作负载：既有短生命周期对象（新生代为主），又有长生命周期对象（老年代晋升频繁），G1 的混合回收策略高效平衡回收效率与停顿。

2. 局限性

• 内存占用增加：RSet 和 Card Table 带来额外元数据开销（约占堆的 10%~20%）。
• 并发标记的复杂性：SATB 算法需要额外的内存空间记录对象引用变化，可能增加 Minor GC 耗时。
• Full GC 退化为单线程：若 G1 无法在目标时间内完成回收（如内存碎片严重、大对象分配过快），会退化为单线程 Full GC，性能骤降（需通过参数调优避免）。

五、总结：G1 分代设计与停顿优化的核心价值

G1 的分代设计通过Region 化动态分代，将传统固定分代的 “粗犷管理” 转化为 “细粒度控制”，结合 RSet 本地化引用处理和可预测停顿模型，实现了以下突破：

1. 分代的灵活性：不再受限于固定内存区域，适应对象生命周期的动态变化。
2. 停顿的可预测性：通过优先回收高价值 Region，确保每次 GC 停顿在用户设定范围内。
3. 跨代引用的高效处理：RSet 避免全堆扫描，大幅提升标记阶段效率。

对于现代 Java 应用（尤其是微服务、云原生场景），G1 的低延迟特性使其成为首选回收器之一。理解其分代设计与停顿优化原理，有助于开发者通过参数调优（如 G1HeapRegionSize、MaxGCPauseMillis）进一步释放性能潜力，避免 Full GC 退化问题。