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【JVM篇13】：兼顾吞吐量和低停顿的G1垃圾回收器

news 2025/8/2 6:26:12

文章目录

1. G1概述与核心设计理念
2. G1的工作模式与GC周期
- 2.1 Young Collection (年轻代垃圾回收)
- 2.2 Young Collection + Concurrent Mark (年轻代垃圾回收 + 并发标记)
- 2.3 Mixed Collection (混合垃圾回收)
3. Humongous Objects (巨型对象)
4. G1的重要参数
5. G1的优缺点
6. G1与传统收集器的对比

G1（Garbage-First）垃圾收集器是HotSpot JVM中一个里程碑式的改进，旨在取代CMS收集器，解决其内存碎片和 Concurrent Mode Failure等问题，并提供更可预测的停顿时间。自JDK 9起，G1已成为HotSpot JVM的默认垃圾收集器

1. G1概述与核心设计理念

G1收集器适用于配备多核处理器及大容量内存的机器，其核心目标是：在满足用户设定的GC停顿时间目标的同时，保持较高的吞吐量

分代与分区结合：G1虽然保留了分代收集的概念（新生代和老年代），但在物理内存布局上，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region）。每个Region都可以动态地充当新生代的Eden区、Survivor区，或者老年代的Old区
Humongous区域：为了处理大对象（Humongous Object），G1引入了特殊的Humongous区域。当对象大小超过Region大小的一半时，它将被直接分配到Humongous区域，这些区域属于老年代。这样做是为了避免大对象在新生代频繁复制带来的开销，并减少内存碎片
复制算法：G1在Region之间进行垃圾回收时，核心采用了复制算法。这意味着存活对象会被从一个或多个源Region复制到新的Region中，从而实现内存的整理和无碎片化
“Garbage-First”：G1的名称“Garbage-First”来源于其独特的工作方式。它会跟踪每个Region中垃圾的多少，并在进行垃圾收集时，优先选择那些垃圾最多、回收效率最高的Region进行回收，从而尽可能多地释放内存空间
兼顾响应时间与吞吐量：通过将大块的堆内存划分为小Region，并进行增量式的、并行的回收，G1能够将长时间的GC停顿分解为多次短时间的停顿，从而提供更可预测的停顿时间，兼顾了应用的响应速度和整体吞吐量
并发与并行：G1在某些阶段（如并发标记）能够与用户线程并发执行，而在其他阶段（如Young GC、Remark、Evacuation）则会并行利用多线程进行STW（Stop-The-World）暂停

2. G1的工作模式与GC周期

G1的垃圾收集周期主要分为两个阶段：Young-Only Phase（年轻代收集阶段）和Space-Reclamation Phase（空间回收阶段，包含混合收集）

2.1 Young Collection (年轻代垃圾回收)

这是G1中最频繁发生的GC类型，主要针对新生代区域（Eden和Survivor）进行回收

对象分配：新创建的对象首先会被分配到Eden区
触发时机：当Eden区空间不足时，会触发一次Young GC
回收过程：
1. STW：Young GC是Stop-The-World的，会暂停所有用户线程
2. 标记与复制：G1会扫描Eden区和当前的From Survivor区中的存活对象
3. 对象晋升：将这些存活对象通过复制算法，复制到新的To Survivor区。如果对象年龄达到阈值（默认15次，-XX:MaxTenuringThreshold）或者Survivor区空间不足，对象会晋升到老年代
4. 清空：复制完成后，Eden区和From Survivor区被清空。From和To Survivor区角色互换
5. RSet更新：为了解决跨代引用问题，G1引入了Remembered Set (RSet)。每个Region都有一个RSet，记录了从其他Region指向本Region的引用。在Young GC时，通过RSet可以快速识别老年代对新生代的引用，避免扫描整个老年代。RSet的更新通过写屏障（Write Barrier）和Dirty Card Queue机制来实现，确保跨代引用的正确性

2.2 Young Collection + Concurrent Mark (年轻代垃圾回收 + 并发标记)

当老年代的内存占用达到一定阈值（Initiating Heap Occupancy Percent，默认45%）时，G1会启动并发标记周期，为后续的Mixed GC做准备。这个阶段主要包括以下步骤：

初始标记：
- STW：这是一个短暂停顿的阶段
- 任务：标记所有从GC Roots直接可达的对象。这个阶段通常与一次Young GC同时发生，以减少STW时间
并发标记：
- 并发执行：这个阶段与用户线程并发执行，不会暂停应用程序
- 任务：从初始标记的存活对象开始，遍历整个对象图，找出所有存活对象。这是最耗时的阶段
- SATB（Snapshot-At-The-Beginning）：G1使用SATB算法来解决并发标记期间对象引用关系变化导致的漏标问题。它在初始标记时创建堆的“快照”，确保在标记开始时存活的对象都被视为存活。这可能导致一些“浮动垃圾”，即在并发标记期间变为不可达的对象，它们会在下一次GC中被回收
重新标记：
- STW：一个短暂停顿阶段
- 任务：处理在并发标记阶段因用户线程活动而发生变化的引用，修正标记结果，并回收完全空的Region
并发清理：
- 并发执行：与用户线程并发执行
- 任务：G1会计算每个Region的回收价值（即垃圾的多少），并根据回收价值对Region进行排序。同时，回收完全空的Region

2.3 Mixed Collection (混合垃圾回收)

在并发标记阶段结束后，G1进入混合收集阶段

选择性回收：G1会根据用户设定的停顿时间目标（-XX:MaxGCPauseMillis，默认200ms）和Region的回收价值，选择所有新生代Region以及部分老年代Region组成**Collection Set (CSet)**进行回收。这就是“Garbage-First”的体现，优先回收垃圾最多的老年代Region
复制与整理：G1会复制CSet中所有存活的对象到新的空闲Region中，然后清空这些被回收的Region。这个过程是STW的
Full GC：如果G1在并发标记阶段，或者在Mixed GC期间，内存分配速度过快，导致无法找到足够的空闲Region来存放新对象或复制的存活对象，就会触发Full GC。G1的Full GC是单线程的，会进行全堆的标记-整理，停顿时间非常长，应尽量避免

3. Humongous Objects (巨型对象)

定义：任何大小超过Region一半的对象都被视为“巨型对象”
分配：巨型对象直接在老年代的Humongous Region中分配，并且会占据连续的Region空间
回收：巨型对象在GC过程中不会被移动（不参与Evacuation），只会在并发标记结束后的Cleanup阶段或Full GC时，如果变为不可达才会被回收

4. G1的重要参数

-XX:+UseG1GC：启用G1垃圾收集器
-XX:MaxGCPauseMillis：设置期望的最大GC停顿时间，G1会尽量在此目标内完成回收。默认200毫秒
-XX:G1HeapRegionSize：设置G1 Region的大小。默认根据堆大小自动计算，目标是大约2048个Region，大小范围1MB到32MB
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：设置老年代空间使用率达到多少百分比时触发并发标记周期。默认45%
-XX:MaxTenuringThreshold：设置对象在新生代中晋升到老年代的年龄阈值。默认15
-XX:ParallelGCThreads：设置GC并行阶段使用的线程数
-XX:ConcGCThreads：设置GC并发阶段使用的线程数

5. G1的优缺点

优点：
- 可预测的停顿时间：通过Region划分和可控的CSet选择，能够很好地控制每次GC的停顿时间，满足高响应时间的应用需求
- 无内存碎片：整体基于标记-整理，局部基于复制，有效避免了内存碎片问题
- 兼顾吞吐量和延迟：在保证低停顿的同时，也能提供较高的吞吐量
- 处理大堆：适用于大容量内存（GB级别甚至TB级别）的应用
缺点：
- 额外的内存开销：需要维护RSet、SATB等额外的数据结构，会占用额外的内存空间（最高可达20%）
- CPU开销：并发阶段会占用CPU资源，可能导致应用程序总吞吐量略有下降
- 复杂性：相比传统的分代收集器，G1内部机制更复杂