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通俗易懂的解释G1垃圾收集器

news 2025/7/31 17:18:17

解释一下 Java 的 G1（Garbage First）垃圾收集器的原理和工作过程。

💡 类比场景：清理酒店房间的智能管家（G1）

我们把 JVM 的堆内存 比作一个很大的酒店，里面有很多“房间”（Region），每个房间住着一些物品（对象），有的房间住的是短期住客（年轻代），有的是长期住客（老年代），有的房间已经空了。

而 G1 就是这个酒店的智能管家，它会优先清理垃圾最多的房间，因此得名 Garbage First（垃圾优先）。

🏨 堆内存是怎么被划分的？

G1 把整个堆切成很多小块，每一块叫一个 Region，每个 Region 大小是一样的，比如 1MB。

每个 Region 可能是以下几种角色：

Eden 区（新对象先来这里）
Survivor 区（幸存者区）
Old 区（长期存活的对象）
Humongous 区（巨型对象，比如大数组）

🧠 G1 的垃圾回收流程（以酒店打扫为例）

1️⃣ 初始标记（Initial Mark）

🧍‍♂️ 类比：管家先记一下当前住客的“联系人”，也就是从酒店前台登记的房间出发，标记哪些房间有人。

🧠 JVM：从 GC Roots 出发，标记一部分存活对象。

是 Stop The World 阶段（短暂停顿）
这阶段也标记出 “可能有大量垃圾的 Region”，准备优先打扫

2️⃣ 并发标记（Concurrent Mark）

🤖 类比：你在酒店正常活动时，管家在后台统计每个房间垃圾的多少，哪些房间最脏。

🧠 JVM：并发遍历对象图，统计哪些 Region 存活对象少（也就是垃圾多）

非 STW，后台进行
收集每个 Region 的“回收收益”数据（垃圾占比）

3️⃣ 最终标记（Remark）

🧽 类比：清洁管家再确认一次哪些房间变化了，确保不会错过新入住的客人。

🧠 JVM：暂停应用，完成最终标记，处理并发期间遗漏的引用。

是 Stop The World 阶段（比 CMS 的更短）

4️⃣ 筛选回收（Cleanup）

🧹 类比：从垃圾最多的房间开始清理（“收益”最大），比如 90% 是垃圾的房间优先清理！

🧠 JVM：选择收益最大的 Region 执行回收，并进行内存整理（压缩），避免内存碎片。

G1 会 整理内存，把活的对象搬到一起，释放出连续的大块空间
不一定一次回收所有 Region，而是 增量式回收

📦 举个完整的例子：

堆被切成了 100 个 Region。
有 30 个 Eden 区（新对象），20 个 Old 区（老对象），10 个 Humongous，剩下是空闲。
G1 后台发现有 10 个 Eden 区垃圾率高达 95%，于是就优先清理它们。
在回收时，G1 会把存活的对象搬到 Survivor 或 Old 区，然后清空这些 Eden 区。
搬运时顺便做了内存压缩，避免碎片。

✅ G1 的好处：

优点	说明
并发收集	大部分阶段是并发的，减少停顿时间
区域化管理	内存碎片少、可预测性强
可配置最大暂停时间	你可以设置 `-XX:MaxGCPauseMillis` 来控制最大暂停时间
适合大内存	特别适合堆内存大于 4GB 的应用

🚫 G1 的缺点：

缺点	说明
老年代 Full GC 性能差	如果内存太紧张，还会退化为 Full GC（性能下降）
管理复杂	内部逻辑复杂，对调优有一定要求

🧩 图解（文字版）

+-----------------------------------------------------+
|                    堆内存（Heap）                    |
| +------+------+------+-----+------+-----+---------+ |
| | Eden | Eden | Old  | Hum | Surv | ... |  空闲区 | |
| +------+------+------+-----+------+-----+---------+ |
|      ^               ^         ^                    |
|     新生代         老年代     巨型对象             |
+-----------------------------------------------------+↑|
G1分析每个Region垃圾量，优先回收垃圾多的区域

🔚 总结一句话：

G1 是一个 会计算“哪里最脏”的智能管家，它把内存分成小块，优先打扫垃圾最多的块，并且一边收集一边整理空间，既能减少垃圾，又能防止内存碎片，非常适合大内存场景。

下面多个维度对比 CMS（Concurrent Mark Sweep） 和 G1（Garbage First） 两种垃圾回收器，并说明它们各自适合的应用场景。为了让你更清晰直观，我将以表格的形式呈现：

🆚 CMS 与 G1 收集器对比一览表

对比维度	CMS（Concurrent Mark Sweep）	G1（Garbage First）
✅ 适用场景	响应时间敏感的中小型应用	内存容量大、低延迟要求高的服务（如电商、金融系统）
🧠 收集代分代	明确分为年轻代和老年代	将堆划分为多个 Region，不严格分代
🔄 回收方式	标记-清除（不会压缩）	标记-复制+压缩（可整理内存，减少碎片）
🕓 停顿时间	年轻代停顿短，老年代 STW 较长	停顿更短，可设置目标暂停时间
🔧 可配置性	参数较多，调优复杂	支持暂停时间控制（如 `-XX:MaxGCPauseMillis=200`）
🔧 并发能力	多阶段并发，但容易因 CPU 紧张而退化为 Full GC	大多数阶段并发进行，稳定性更强
🧹 Full GC 性能	性能差，容易 STW 全堆	整体设计避免 Full GC，但触发时也较慢
🧱 内存碎片	清除后不会整理内存，可能出现碎片	自动整理，空间连续性好
🧪 稳定性	比较成熟，但面临淘汰	更现代，JDK9 开始逐渐替代 CMS
🚫 官方支持状态	JDK9 后已被标记为“弃用”	是 JDK 官方推荐的默认垃圾收集器

📌 总结应用场景

应用类型	推荐收集器	原因
中小型服务端应用（如 OA 系统）	CMS	老牌、成熟，适合对 STW 敏感但内存不大的应用
大型互联网平台（电商、直播等）	G1	内存大、对象多、GC 时间可控、可设置延迟，适合高并发请求
金融类系统（高可用、高性能）	G1	高响应要求，堆空间大，G1 的预测性和压缩整理能保证系统稳定运行
启动快、运行周期短的服务	CMS	启动快，调优成熟，开发迭代频繁的场景
微服务架构	G1	每个服务可以分配大内存 + G1 的灵活 Region 管理减少 STW 风险

🧠 总体建议（实际项目选型）

场景	建议
JDK 8 项目，堆内存 < 4G	CMS 可用，但未来考虑迁移
JDK 11+ 项目	推荐直接使用 G1（默认选项）
高并发、高吞吐系统	推荐 G1
内存碎片明显	G1 更有优势，能整理内存

如果你现在是开发一个面向 C 端用户的高并发电商项目（比如用 Java + SpringBoot 构建微服务架构），G1 是最优选择，它能提供：