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30. 什么是G1（Garbage-First）垃圾回收器？它的工作原理是什么？

PangHu大约 5 分钟

G1（Garbage-First）垃圾回收器 是Java虚拟机（JVM）中一种面向服务器端应用的垃圾收集器，旨在提供高吞吐量的同时，能够显著减少垃圾回收引起的停顿时间（STW）。G1 GC在JDK 7中引入，设计用于替代传统的CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾收集器，特别适用于大内存、多处理器的环境。

G1垃圾回收器的工作原理

G1垃圾回收器的设计目标是通过对堆内存的区域化管理和并发回收，减少长时间的Full GC停顿。它的工作原理可以从以下几个方面来理解：

1. 堆内存的分区管理

  • 区域化堆内存（Region）：
    • 与传统的分代垃圾回收器不同，G1 GC不直接将堆内存划分为固定的新生代和老年代，而是将整个堆内存划分为多个大小相等的区域（Region），每个区域通常为1到32MB，可以通过参数设置。
    • 这些区域在逻辑上仍然分为新生代和老年代，但物理上是动态管理的，这使得内存回收更加灵活。
  • Eden区、Survivor区、老年代区：
    • 新生代区域包括Eden区和Survivor区，存放新创建的对象；老年代区域存放生命周期较长的对象。每个区域可以根据需求在这些角色之间动态转换。

2. 垃圾回收的步骤

  • 年轻代垃圾回收（Young GC）：
    • G1 GC的Young GC回收新生代的内存，与其他GC类似，采用复制算法。存活的对象从Eden区复制到Survivor区或直接晋升到老年代。
    • Young GC通常是多线程并行执行的，并且是“Stop-the-World”事件，虽然停顿时间较短。
  • 并发标记阶段：
    • G1 GC具有并发标记阶段，用于标记老年代区域中的存活对象。这个阶段是并发执行的，不会停止应用程序线程。
    • 标记过程包括初始标记、并发标记、最终标记和筛选回收四个步骤。初始标记是STW事件，但非常快，随后的并发标记阶段可以与应用程序并发执行，最终标记和筛选回收也会暂停应用程序。
  • 混合垃圾回收（Mixed GC）：
    • 在混合垃圾回收阶段，G1 GC不仅回收新生代的内存，还选择部分老年代区域进行回收。G1的一个核心特点是它能够在后台标记老年代中包含大量垃圾的区域，并在需要时对这些区域进行回收。
    • 混合回收是为了平衡GC时间和内存回收量，避免长时间的Full GC停顿。
  • 停顿预测模型：
    • G1 GC通过停顿预测模型来控制GC的最大停顿时间。它会在每次回收前预测此次回收的时间，并根据用户配置的停顿目标（如-XX:MaxGCPauseMillis）调整回收的工作量。

3. 垃圾优先回收（Garbage-First）

  • 优先回收高收益区域

    ：

    • G1 GC的名字来源于其“Garbage-First”的设计理念。它通过分析各个区域的垃圾比例，优先回收那些包含大量垃圾的区域（称为Collection Set, CSet），从而最大化每次回收的内存收益。
    • 这种策略有效避免了老年代垃圾积累，减少了Full GC的频率。

4. Full GC

  • 回收失败：
    • 如果在混合回收或并发标记过程中，老年代的内存仍然不足以分配新对象，G1 GC可能会退回到Full GC模式。Full GC会触发“Stop-the-World”事件，回收整个堆内存，通常非常耗时。
  • 紧急清理：
    • Full GC是G1 GC中避免的情况，因为它会导致长时间的应用停顿。但在极端情况下，为了避免内存溢出（OutOfMemoryError），Full GC是必要的。

G1垃圾回收器的优点

  1. 可预测的停顿时间：
    • G1 GC能够通过参数-XX:MaxGCPauseMillis设置GC的目标停顿时间，JVM会根据这一目标动态调整回收策略，尽可能在目标时间内完成GC操作。
  2. 并发执行：
    • G1 GC的大部分标记和清理工作可以与应用程序线程并发执行，减少了垃圾回收对应用程序性能的影响。
  3. 适应大堆内存：
    • G1 GC特别适用于多核、大内存的环境。它能够有效管理和回收多达几百GB甚至TB级的堆内存，而不会导致长时间的应用停顿。
  4. 动态内存分配：
    • G1 GC不需要像传统GC那样预先划分固定大小的新生代和老年代区域。通过动态分配和回收，G1 GC可以更灵活地管理内存。

G1垃圾回收器的局限性

  1. 复杂性：
    • 虽然G1 GC提供了更好的性能和预测性，但它的内部机制较为复杂，调优难度相对较大。
  2. 高内存开销：
    • 由于G1 GC需要维护大量的区域信息和执行复杂的算法，内存开销相对较高。

配置G1 GC

在JVM中启用G1 GC，可以使用以下参数：

-XX:+UseG1GC

其他常用的调优参数包括：

  • 最大GC停顿时间：设置GC的目标最大停顿时间（毫秒）。

    -XX:MaxGCPauseMillis=<time_in_ms>

  • 初始堆大小和最大堆大小：设置应用启动时的堆大小和堆的最大值。

    -Xms<size> -Xmx<size>

总结

G1垃圾回收器 是JVM中一种先进的垃圾收集器，设计用于减少长时间的垃圾回收停顿，同时提供高效的内存管理。通过区域化的内存管理和并发执行的回收策略，G1 GC能够在大内存、多线程的服务器环境中表现出色。它的可预测性和灵活性使其成为许多现代Java应用的首选垃圾收集器。