前言

Garbage First(G1)是垃圾收集领域的最新成果，同时也是HotSpot在JVM上力推的垃圾收集器，并赋予取代CMS的使命。如果使用Java 8/9，那么有很大可能希望对G1收集器进行评估。本文详细首先对JVM其他的垃圾收集器进行总结，并与G1进行了简单的对比；然后通过G1的内存模型、G1的活动周期，对G1的工作机制进行了介绍；同时还在介绍过程中，描述了可能需要引起注意的优化点。笔者希望通过本文，让有一定JVM基础的读者能尽快掌握G1的知识点。

概述

G1(Garbage First)垃圾收集器是当今垃圾回收技术最前沿的成果之一。早在JDK7就已加入JVM的收集器大家庭中，成为HotSpot重点发展的垃圾回收技术。同优秀的CMS垃圾回收器一样，G1也是关注最小时延的垃圾回收器，也同样适合大尺寸堆内存的垃圾收集，官方也推荐使用G1来代替选择CMS。G1最大的特点是引入分区的思路，弱化了分代的概念，合理利用垃圾收集各个周期的资源，解决了其他收集器甚至CMS的众多缺陷。

JVM GC收集器的回顾与比较

从JDK3(1.3)开始，HotSpot团队一直努力朝着高效收集、减少停顿(STW: Stop The World)的方向努力，也贡献了从串行到CMS乃至最新的G1在内的一系列优秀的垃圾收集器。上图展示了JDK的垃圾回收大家庭，以及相互之间的组合关系，下面就几种典型的组合应用进行简单的介绍。

串行收集器

串行收集器组合 Serial + Serial Old

开启选项：-XX:+SerialGC

串行收集器是最基本、发展时间最长、久经考验的垃圾收集器，也是客户端模式下的默认收集器配置。

串行收集器采用单线程stop-the-world的方式进行收集。当内存不足时，串行GC设置停顿标识，待所有线程都进入安全点(Safepoint)时，应用线程暂停，串行GC开始工作，采用单线程方式回收空间并整理内存。单线程也意味着复杂度更低、占用内存更少，但同时也意味着不能有效利用多核优势。事实上，串行收集器特别适合堆内存不高、单核甚至双核CPU的场合。

并行收集器

并行收集器组合 Parallel Scavenge + Parallel Old

开启选项：-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseParallelOldGC(可互相激活)

并行收集器是以关注吞吐量为目标的垃圾收集器，也是服务端模式下的默认收集器配置，对吞吐量的关注主要体现在年轻代Parallel Scavenge收集器上。

并行收集器与串行收集器工作模式相似，都是stop-the-world方式，只是暂停时并行地进行垃圾收集。年轻代采用复制算法，老年代采用标记-整理，在回收的同时还会对内存进行压缩。关注吞吐量主要指年轻代的Parallel Scavenge收集器，通过两个目标参数-XX:MaxGCPauseMills和-XX:GCTimeRatio，调整新生代空间大小，来降低GC触发的频率。并行收集器适合对吞吐量要求远远高于延迟要求的场景，并且在满足最差延时的情况下，并行收集器将提供最佳的吞吐量。

并发标记清除收集器

并发标记清除收集器组合 ParNew + CMS + Serial Old

开启选项：-XX:+UseConcMarkSweepGC

年轻代ParNew与并行收集器类似，而老年代CMS每个收集周期都要经历：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。其中，初始标记以STW的方式标记所有的根对象；并发标记则同应用线程一起并行，标记出根对象的可达路径；在进行垃圾回收前，CMS再以一个STW进行重新标记，标记那些由mutator线程(指引起数据变化的线程，即应用线程)修改而可能错过的可达对象；最后得到的不可达对象将在并发清除阶段进行回收。值得注意的是，初始标记和重新标记都已优化为多线程执行。CMS非常适合堆内存大、CPU核数多的服务器端应用，也是G1出现之前大型应用的首选收集器。

但是CMS并不完美，它有以下缺点：

1.

由于并发进行，CMS在收集与应用线程会同时会增加对堆内存的占用，也就是说，CMS必须要在老年代堆内存用尽之前完成垃圾回收，否则CMS回收失败时，将触发担保机制，串行老年代收集器将会以STW的方式进行一次GC，从而造成较大停顿时间；

2.

标记清除算法无法整理空间碎片，老年代空间会随着应用时长被逐步耗尽，最后将不得不通过担保机制对堆内存进行压缩。CMS也提供了参数
-XX:CMSFullGCsBeForeCompaction(默认0，即每次都进行内存整理)来指定多少次CMS收集之后，进行一次压缩的Full GC。

G1

开启选项：-XX:+UseG1GC

之前介绍的几组垃圾收集器组合，都有几个共同点：

1.年轻代、老年代是独立且连续的内存块；2.年轻代收集使用单eden、双survivor进行复制算法；3.老年代收集必须扫描整个老年代区域；4.都是以尽可能少而快地执行GC为设计原则。

G1垃圾收集器也是以关注延迟为目标、服务器端应用的垃圾收集器，被HotSpot团队寄予取代CMS的使命，也是一个非常具有调优潜力的垃圾收集器。虽然G1也有类似CMS的收集动作：初始标记、并发标记、重新标记、清除、转移回收，并且也以一个串行收集器做担保机制，但单纯地以类似前三种的过程描述显得并不是很妥当。事实上，G1收集与以上三组收集器有很大不同：

1.G1的设计原则是"首先收集尽可能多的垃圾(Garbage First)"。因此，G1并不会等内存耗尽(串行、并行)或者快耗尽(CMS)的时候开始垃圾收集，而是在内部采用了启发式算法，在老年代找出具有高收集收益的分区进行收集。同时G1可以根据用户设置的暂停时间目标自动调整年轻代和总堆大小，暂停目标越短年轻代空间越小、总空间就越大；2.G1采用内存分区(Region)的思路，将内存划分为一个个相等大小的内存分区，回收时则以分区为单位进行回收，存活的对象复制到另一个空闲分区中。由于都是以相等大小的分区为单位进行操作，因此G1天然就是一种压缩方案(局部压缩)；3.G1虽然也是分代收集器，但整个内存分区不存在物理上的年轻代与老年代的区别，也不需要完全独立的survivor(to space)堆做复制准备。G1只有逻辑上的分代概念，或者说每个分区都可能随G1的运行在不同代之间前后切换；4.G1的收集都是STW的，但年轻代和老年代的收集界限比较模糊，采用了混合(mixed)收集的方式。即每次收集既可能只收集年轻代分区(年轻代收集)，也可能在收集年轻代的同时，包含部分老年代分区(混合收集)，这样即使堆内存很大时，也可以限制收集范围，从而降低停顿。

G1的内存模型

分区Region

G1采用了分区(Region)的思路，将整个堆空间分成若干个大小相等的内存区域，每次分配对象空间将逐段地使用内存。因此，在堆的使用上，G1并不要求对象的存储一定是物理上连续的，只要逻辑上连续即可；每个分区也不会确定地为某个代服务，可以按需在年轻代和老年代之间切换。启动时可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize=n可指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的幂)，默认将整堆划分为2048个分区。

卡片Card

在每个分区内部又被分成了若干个大小为512 Byte卡片(Card)，标识堆内存最小可用粒度。所有分区的卡片将会记录在全局卡片表(Global Card Table)中，分配的对象会占用物理上连续的若干个卡片，当查找对分区内对象的引用时便可通过记录卡片来查找该引用对象(见RSet)。每次对内存的回收，都是对指定分区的卡片进行处理。

堆Heap

G1同样可以通过-Xms/-Xmx来指定堆空间大小。当发生年轻代收集或混合收集时，通过计算GC与应用的耗费时间比，自动调整堆空间大小。如果GC频率太高，则通过增加堆尺寸，来减少GC频率，相应地GC占用的时间也随之降低；目标参数-XX:GCTimeRatio即为GC与应用的耗费时间比，G1默认为9，而CMS默认为99，因为CMS的设计原则是耗费在GC上的时间尽可能的少。另外，当空间不足，如对象空间分配或转移失败时，G1会首先尝试增加堆空间，如果扩容失败，则发起担保的Full GC。Full GC后，堆尺寸计算结果也会调整堆空间。

G1分代模型

分代

分代垃圾收集可以将关注点集中在最近被分配的对象上，而无需整堆扫描，避免长命对象的拷贝，同时独立收集有助于降低响应时间。虽然分区使得内存分配不再要求紧凑的内存空间，但G1依然使用了分代的思想。与其他垃圾收集器类似，G1将内存在逻辑上划分为年轻代和老年代，其中年轻代又划分为Eden空间和Survivor空间。但年轻代空间并不是固定不变的，当现有年轻代分区占满时，JVM会分配新的空闲分区加入到年轻代空间。

整个年轻代内存会在初始空间-XX:G1NewSizePercent(默认整堆5%)与最大空间(默认60%)之间动态变化，且由参数目标暂停时间-XX:MaxGCPauseMillis(默认200ms)、需要扩缩容的大小以-XX:G1MaxNewSizePercent及分区的已记忆集合(RSet)计算得到。当然，G1依然可以设置固定的年轻代大小(参数-XX:NewRatio、-Xmn)，但同时暂停目标将失去意义。

本地分配缓冲

本地分配缓冲 Local allocation buffer (Lab)

值得注意的是，由于分区的思想，每个线程均可以"认领"某个分区用于线程本地的内存分配，而不需要顾及分区是否连续。因此，每个应用线程和GC线程都会独立的使用分区，进而减少同步时间，提升GC效率，这个分区称为本地分配缓冲区(Lab)。

其中，应用线程可以独占一个本地缓冲区(TLAB)来创建的对象，而大部分都会落入Eden区域(巨型对象或分配失败除外)，因此TLAB的分区属于Eden空间；而每次垃圾收集时，每个GC线程同样可以独占一个本地缓冲区(GCLAB)用来转移对象，每次回收会将对象复制到Suvivor空间或老年代空间；对于从Eden/Survivor空间晋升(Promotion)到Survivor/老年代空间的对象，同样有GC独占的本地缓冲区进行操作，该部分称为晋升本地缓冲区(PLAB)。