G1（Garbage-First）垃圾回收器是Java虚拟机（JVM）中面向大内存、低延迟场景设计的垃圾回收器，自JDK 7u4正式推出，并在JDK 9后成为默认回收器。其核心原理结合了分区管理、并发标记和可预测停顿时间模型，以下从关键设计点展开说明：
🧩 一、核心设计思想
分区模型（Region-Based Heap）
G1将堆内存划分为多个大小相等的 Region（默认约2048个，每个1MB–32MB）。每个Region可动态充当以下角色：- Eden区：存放新对象。
- Survivor区：存放Minor GC后存活的对象。
- Old区：存放长期存活的对象。
- Humongous区：专存大小超过Region容量50%的大对象（如大数组）。
这种设计避免传统分代堆的物理隔离，实现内存分配的灵活性，并减少内存碎片。
垃圾优先（Garbage-First）策略
G1通过跟踪每个Region的回收价值（垃圾占比 × 回收速度），优先回收垃圾最多的Region，最大化单次回收效率。用户可通过-XX:MaxGCPauseMillis（默认200ms）设定最大停顿时间目标，G1据此动态调整回收范围。
🔁 二、工作流程：并发标记与混合回收
G1的回收过程分为四个阶段，其中仅并发标记阶段完全无停顿：
初始标记（Initial Marking）
- STW（暂停所有应用线程），标记GC Roots直接关联的对象。
- 借道Young GC：此阶段复用Young GC的暂停时间，几乎不增加额外开销。
并发标记（Concurrent Marking）
- 与用户线程并发执行，遍历对象图标记存活对象。
- 使用 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）算法 记录标记开始时的对象快照，解决并发修改导致的“对象消失”问题。
最终标记（Final Marking）
- STW，处理SATB记录中的引用变更，确保标记完整性。
- 回收完全空闲的Region。
筛选回收（Evacuation）
- STW，基于回收价值排序Region，在停顿时间内复制存活对象到新Region（复制算法），并清空旧Region。
- 支持分批次回收（通过
-XX:G1MixedGCCountTarget控制批次），避免单次停顿过长。
⚙️ 三、关键技术机制
跨代引用处理：RSet（Remembered Set）
- 每个Region维护一个RSet，记录其他Region中指向本Region内对象的引用。
- 作用：避免全堆扫描。例如Young GC时，只需扫描Old区中RSet记录的卡表（Card Table），定位到老年代对新生代的引用。
大对象（Humongous）管理
- 大对象直接分配至连续Humongous Region，避免跨Region存储的复杂性。
- 回收时机：在Young GC或Mixed GC中随附属Region一并回收。
🔄 四、回收模式：Young GC 与 Mixed GC
| 模式 | 触发条件 | 回收范围 | 特点 |
|---|---|---|---|
| Young GC | Eden区满 | 仅新生代Region | STW，复制算法，频率高但停顿短 |
| Mixed GC | 老年代占比 ≥ 45%（默认） | 新生代 + 高价值老年代Region | 含并发标记阶段，可控制停顿时间 |
⚠️ Full GC触发条件：当Mixed GC中存活对象无空闲Region容纳时，退化为单线程Full GC（需极力避免）。
⚖️ 五、对比其他回收器
| 特性 | G1 | CMS | ZGC |
|---|---|---|---|
| 内存模型 | Region分区 | 连续分代 | 虚拟内存映射 |
| 停顿目标 | 可预测（200ms内） | 不可预测 | 亚毫秒级（<1ms） |
| 碎片处理 | 复制算法（自动整理） | 标记-清除（需压缩） | 无碎片 |
| 适用场景 | 堆内存 >6GB，兼顾吞吐与延迟 | 小堆（<6GB），低延迟 | 超大堆（TB级），极致延迟 |
🛠️ 六、调优建议
- 核心参数：
-XX:MaxGCPauseMillis=200：根据业务需求调整（过低易触发Full GC）。-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45：调高可延迟Mixed GC触发。
- 避免Full GC：
- 增加堆内存，或降低大对象分配。
- 监控晋升失败（Promotion Failure）与疏散失败（Evacuation Failure）。
- Region大小优化：
堆较大时建议设置-XX:G1HeapRegionSize=4M（默认值计算为堆大小/2048）。
💎 总结
G1通过 Region分区 + 价值优先回收 + 并发标记 三大支柱，在大堆场景下平衡吞吐量与停顿可控性，成为JDK 9+的默认选择。其设计精髓在于：
✅ 空间维度：Region化解构堆内存，实现细粒度回收；
✅ 时间维度：SATB和RSet减少STW范围，并发标记提升效率；
✅ 策略维度：按回收价值动态选择目标，最大化单位时间收益。
对于追求更低延迟（如<10ms）或超大堆（>100GB）的场景，可评估ZGC或Shenandoah，但G1仍是多数生产环境的稳健之选。
