积土成山，风雨兴焉；积水成渊，蛟龙生焉；积善成德，而神明自得，圣心备焉。故不积跬步，无以至千里，不积小流无以成江海。齐骥一跃，不能十步，驽马十驾，功不在舍。面对悬崖峭壁，一百年也看不出一条裂缝来，但用斧凿，能进一寸进一寸，能进一尺进一尺，不断积累，飞跃必来，突破随之。

目录

G1（Garbage First）回收器。在JDK9中默认使用的垃圾回收器。是区域化分代式。官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起”全功能收集器”的重任与期望。

为什么叫作G1（Garbage First）呢？

• 因为G1是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域（Region）（物理上不连续的）。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区、幸存者1区，老年代等。
• G1 GC有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需要的经验值，简单说就是回收之后是否能释放更大的空间），在后台维护一个优先队列，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。
• 由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间（Region），所以我们给G1一个名字：垃圾优先（Garbage First）。

G1（Garbage First）是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配对多核CPU及大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间的同时，还兼具高吞吐量的性能特征。CMS已经在JDK9中被标记为废弃（Deprecated），G1在JDK8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用 -XX:+UseG1GC来启用。

特点

与其他GC收集器相比，G1使用了全新的分区算法。

并行与并发

• 并行性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程STW。
• 并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况。

分代收集

• 从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。如下图：其中每块区域同一时刻只能担任一个角色（E、S、O等），并且在被清空后可以担任其他角色。

• 将堆空间分为若干个区域（Region），这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
• 和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代。

空间整合

• CMS：标记-清除算法、内存碎片、可以设置参数实现若干次GC后进行一次碎片整理。
• G1将内存划分为一个个的region。内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩（Mark-Compact）算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

可预测的停顿时间模型

这是G1相对于CMS的另一大优势，G1处理除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。

• 由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
• G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
• 相比于CMS GC，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。

缺点

• 相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中，G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用（Footprint）还是程序运行时的额外执行负载（Overload）都要比CMS要高。
• 从经验上来说，在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在6-8GB之间。

参数设置

• -XX:+UseG1GC：手动指定使用G1收集器执行内存回收任务。

• -XX:G1HeapRegionSize：设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB之间，目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。

• -XX:MaxGCPauseMillis：设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到）。默认值是200ms。

• -XX:ParallelGCThread：设置STW时GC线程数的值。最多设置为8。

• -XX:ConcGCThreads：设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGCThreads）的1/4左右。

• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：设置触发并发GC周期的Java堆占用率阈值。超过此值，就触发GC。默认值是45。

使用G1回收器的常见操作步骤

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

• 开启G1垃圾收集器。
• 设置堆的最大内存。
• 设置最大的停顿时间。

G1中提供了三种垃圾回收模式：Young GC、Mixed GC和Full GC，在不同的条件下被触发。

适用场景

面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。相反在普通大小的堆里表现平平。

最主要的应用是需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案。

• 如：在堆大小约6GB或更大时，可预测的暂停时间可以低于0.5秒；G1通过每次只清理一部分而不是全部的Region的增量式清理来保证每次GC停顿时间不会过长。

用来替换掉JDK1.5中的CMS收集器，在以下情况时，使用G1可能比CMS好：

• ①超过50%的Java堆被活动数据占用。
• ②对象分配频率或年代频率变化很大。
• ③GC停顿时间过长（长于0.5至1秒）。

HotSpot垃圾收集器里，除了G1以外，其他的垃圾收集器使用内置的JVM线程执行GC的多线程操作，而G1 GC可以采用应用线程承担后台运行的GC工作，即当JVM的GC线程处理速度慢时，系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。

分区Region

使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1、2、4、8…可以通过-XX:G1HeapRegionSize设定。所有的Region大小相同，且在JVM生命周期内不会被改变。

虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（无需连续）的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑上的连续。

一个Region有可能属于Eden、Survivor或者Old/Tenured内存区域。但是一个Region只可能属于一个角色。但在Region被完全清理之后可能变成其他角色。图中的E表示该Region属于Eden内存区域，S表示属于Survivor内存区域，O表示属于Old内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。

• G1垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过1.5个Region，就放到H。

设置H的原因

• 对于堆中的大对象，默认直接会被分配到老年代，但是如果它是一个短期存在的大对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放大对象。如果一个H区装不下一个大对象，那么G1会寻找连续的H区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。G1的大多数行为都把H区作为老年代的一部分来看待。

回收过程

G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：

• 年轻代GC（Young GC）
• 老年代并发标记过程（Concurrent Marking）
• 混合回收（Mixed GC）
• 如果需要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是继续存在的。它针对GC的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。

顺时针，Young GC -> Young GC + Concurrent Mark -> Mixed GC顺序，进行垃圾回收。

• 应用程序分配内存，当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程；G1的年轻代收集阶段是一个并行的独占式收集器。在年轻代回收期，G1 GC暂停所有应用程序线程，启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间，也有可能是两个区间都会涉及。
• 当堆内存使用达到一定值（默认45%）时，开始老年代并发标记过程。
• 标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期，G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同，老年代的G1回收器和其他GC不同，G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了。同时，这个老年代Region是和年轻代一起被回收的。

示例：一个Web服务器，Java进程最大堆内存为4G，每分钟响应1500个请求，没45分钟会新分配大约2G的内存。G1会每45秒钟进行一次年轻代回收，没31个小时整个堆的使用率会达到45%，会开始老年代并发标记过程，标记完成后开始四到五次的混合回收。

记忆集

G1相比于CMS会额外多使用10%至20%的内存空间，这部分空间就是用来存放记忆集（Remembered Set）的。

为什么需要使用到记忆集？

• 一个对象被不同区域引用的问题。
• 一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用（如新生代中被老年代引用）。
• 在其他的分代收集器，也存在这样的问题（而G1更突出）。
• 回收新生代也不得不同时扫描老年代。
• 这样的话会降低Minor GC的效率。
• 例如：一个Eden RegionA 中的对象被另外一个Eden RegionB引用，在进行垃圾回收的时候，这种情况比较好处理，因为都是在Eden区中；但是如果是Old区中引用了Eden区中的对象，那么在判断某个对象是否可达时，就需要把Eden区和Old区进行遍历查看是否被引用。那么这个效率是比较差的，因为现在在Eden区中，但是还是需要去Old区中进行遍历，而遍历过程是STW的。如图：

解决办法

• 无论是G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set 来避免全局扫描。
• 每个Region都有一个对应的Remembered Set。
• 每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier暂时中断操作。
• 然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region（其他收集器：检查老年代对象是否引用了新生代对象）。
• 如果不同，通过CardTable 把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中。
• 当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set，就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。

回收过程一：年轻代GC

JVM启动时，G1先准备好Eden区，程序在运行过程中不断创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年轻代垃圾回收过程。年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区。

YGC时，首先G1停止应用程序的执行（STW），G1创建回收集（Collection Set），回收集是指需要被回收的内存分段的集合，年轻代回收过程的回收包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。

回收过程

• 第一阶段：扫描根。根是指static变量指向的对象，正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。
• 第二阶段：更新RSet。处理dirty card queue（见最后一条备注说明）中的card，更新RSet。此阶段完成后，RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。
• 第三阶段：处理RSet。识别被老年代对象指向的Eden中的对象，这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。
• 第四阶段：复制对象。此阶段，对象树被遍历，Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段，Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值，年龄会加1，达到阈值会被复制到Old区中空的内存分段。如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。
• 第五阶段：处理引用。处理Soft、Weak、Phantom、Final、JNI Weak等引用。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，而目标内存中的对象都是连续存储的，没有碎片，所以复制过程可以达到内存整理的效果，减少碎片。
• 备注说明：对于应用程序的引用赋值语句Object.field=Object，JVM会在之前和之后执行特殊的操作以在dirty card queue 中入队一个保存了对象引用信息的card。在年轻代回收的时候，G1会对Dirty Card Queue中所有的card进行处理，以更新RSet，保证RSet实时准确的反映引用关系。至于为什么不在引用赋值语句处直接更新RSet，主要是为了性能的需要，RSet的处理需要线程同步，开销会很大，使用队列性能会好很多。

回收过程二：并发标记过程

• 初始标记阶段：标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW的，并且会触发一次年轻代GC。
• 根区域扫码（Root Region Scanning）：G1 GC扫描Survivor区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。这一过程必须在Young GC之前完成。
• 并发标记（Concurrent Marking）： 在整个堆中进行并发标记（和应用程序并发执行），此过程可能被Young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性（区域中存活对象的比例）。
• 再次标记（Remark）：由于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果。是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法：snapshot-at-the-beginning（SATB）。
• 独占清理（cleanup，STW）：计算各个区域的存活对象和GC回收比例，并进行排序，识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是STW的。这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集。
• 并发清理阶段：识别并清理完全空闲的区域。

回收过程三：混合回收

当越来越多的对象晋升到老年代Old Region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个Old GC，除了回收整个Young Region，还会回收一部分的Old Region。这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代。可以选择哪些Old Region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC并不是Full GC。

• 并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下，这些老年代的内存分段会分为8次（可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置）被回收。
• 混合回收的回收集（Collection Set）包括八分之一的老年代内存分段，Eden去内存分段，Survivor区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样，只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程可以参考年轻代回收过程。
• 由于老年代中的内存分段默认分8次回收，G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收。-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent，默认为65%，意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会花费更多的时间。
• 混合回收并不一定要进行8次。有一个阈值 -XX:G1HeapWastePercent，默认值为10%，意思是允许整个堆内存中有10%的空间被浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%，则不再进行混合回收。因为GC会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。

可选回收过程四：Full GC

G1的初衷就是要避免Full GC的出现。但是如果上述方式不能正常工作，G1会停止应用程序的执行（STW），使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。

什么时候会发生Full GC呢？比如堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到Full GC，这种情况可以通过增大内存解决。

导致G1 Full GC的原因可能有两个：

• Evacuation的时候没有足够的to-space来存放晋升的对象。
• 并发处理过程完成之前空间耗尽。

优化建议

年轻代大小

• 避免使用 -Xmn或 -XX:NewRatio等相关选项显式设置年轻代大小。
• 固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。

暂停时间目标不要太过严苛

• G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间。
• 评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这些会直接影响到吞吐量。

总结

截止JDK1.8，一共有7款不同的垃圾收集器。每一款不同的垃圾收集器都有不同的特点。

GC发展阶段：

• Serial => Parallel（并行）=> CMS（并发） => G1 => ZGC。