G1 收集器原理

G1垃圾回收器是可以同时回收新生代和老年代的对象的，不需要两个垃圾回收器配合起来运作，他一个人就可以搞定所有的垃圾回收。

他最大的一个特点，就是把Java堆内存拆分为多个大小相等的Region。

然后G1也会有新生代和老年代的概念，但是只不过是逻辑上的概念也就是说，新生代可能包含了某些Region，老年代可能包含了某些Reigon，如下图。

而且G1最大的一个特点，就是可以让我们设置一个垃圾回收的预期停顿时间 也就是说比如我们可以指定：希望G1在垃圾回收的时候，可以保证，在1小时内由G1垃圾回收导致的“Stop the World”时间，也就是系统停顿的时间，不能超过1分钟。这个就很厉害了，大家如果看明白了之前我们的很多JVM优化的思路，都明白一点，其实我们对内存合理分配，优化一些参数，就是为了尽可能减少Minor GC和Full GC，尽量减少GC带来的系统停顿，避免影响系统处理请求。

但是现在我们直接可以给G1指定，在一个时间内，垃圾回收导致的系统停顿时间不能超过多久，G1全权给你负责，保证达到这个目标。

这样相当于我们就可以直接控制垃圾回收对系统性能的影响了

系统停顿可控

可以根据设定的预期系统停顿时间，来选择最少回收时间和最多回收对象的Region进行垃圾回收，保证GC对系统停顿的影响在可控范围内，同时还能尽可能回收最多的对象。

其实G1如果要做到这一点，他就必须要追踪每个Region里的回收价值，啥叫做回收价值呢？

他必须搞清楚每个Region里的对象有多少是垃圾，如果对这个Region进行垃圾回收，需要耗费多长时间，可以回收掉多少垃圾？

看下图，G1通过追踪发现，1个Region中的垃圾对象有10MB，回收他们需要耗费1秒钟，另外一个Region中的垃圾对象有20MB，回收他们需要耗费200毫秒。

然后在垃圾回收的时候，G1会发现在最近一个时间段内，比如1小时内，垃圾回收已经导致了几百毫秒的系统停顿了，现在又要执行一次垃圾回收，那么必须是回收上图中那个只需要200ms就能回收掉20MB垃圾的Region啊！

于是G1触发一次垃圾回收，虽然可能导致系统停顿了200ms，但是一下子回收了更多的垃圾，就是20MB的垃圾，如下图。

所以简单来说，G1可以做到让你来设定垃圾回收对系统的影响，他自己通过把内存拆分为大量小Region，以及追踪每个Region中可以回收的对象大小和预估时间，最后在垃圾回收的时候，尽量把垃圾回收对系统造成的影响控制在你指定的时间范围内，同时在有限的时间内尽量回收尽可能多的垃圾对象。这就是G1的核心设计思路。

在G1中，每一个Region时可能属于新生代，但是也可能属于老年代的刚开始Region可能谁都不属于，然后接着就分配给了新生代，然后放了很多属于新生代的对象，接着就触发了垃圾回收这个Region，如下图。

然后下一次同一个Region可能又被分配了老年代了，用来放老年代的长生存周期的对象，如下图所示。

所以其实在G1对应的内存模型中，Region随时会属于新生代也会属于老年代，所以没有所谓新生代给多少内存，老年代给多少内存这一说了

实际上新生代和老年代各自的内存区域是不停的变动的，由G1自动控制。

内存分配

G1对应的是一大堆的Region内存区域，每个Region的大小是一致的。

到底有多少个Region呢？每个Region的大小是多大呢？

其实这个默认情况下自动计算和设置的，我们可以给整个堆内存设置一个大小，比如说用“-Xms”和“-Xmx”来设置堆内存的大小。

然后JVM启动的时候一旦发现你使用的是G1垃圾回收器，可以使用“-XX:+UseG1GC”来指定使用G1垃圾回收器，此时会自动用堆大小除以2048

因为JVM最多可以有2048个Region，然后Region的大小必须是2的倍数，比如说1MB、2MB、4MB之类的。

比如说堆大小是4G，那么就是4096MB，此时除以2048个Region，每个Region的大小就是2MB。大概就是这样子来决定Region的数量和大小的，大家一般保持默认的计算方式就可以

如果通过手动方式来指定，则是“-XX:G1HeapRegionSize”，如下图。

刚开始的时候，默认新生代对堆内存的占比是5%，也就是占据200MB左右的内存，对应大概是100个Region，这个是可以通过-XX:G1NewSizePercent来设置新生代初始占比的，其实维持这个默认值即可。

因为在系统运行中，JVM其实会不停的给新生代增加更多的Region，但是最多新生代的占比不会超过60%，可以通过-XX:G1MaxNewSizePercent 设置

而且一旦Region进行了垃圾回收，此时新生代的Region数量还会减少，这些其实都是动态的。看下图，刚开始就是一部分的Region是属于新生代的。

新生代还有Eden和Survivor的概念吗？

其实在G1中虽然把内存划分为了很多的 Region，但是其实还是有新生代、老年代的区分而且新生代里还是有Eden和Survivor的划分的 -XX:SurvivorRatio=8 这个参数仍然有效，所以这里还是可以区分出来属于新生代的Region里哪些属于Eden，哪些属于Survivor。比如新生代之前说刚开始初始的时候，有100个Region，那么可能80个Region就是Eden，两个Survivor各自占10个Region，如下图。

在这里其实还是有Eden和Survivor的概念的，他们会各自占据不同的Region。

只不过随着对象不停的在新生代里分配，属于新生代的Region会不断增加，Eden和Survivor对应的Region也会不断增加

G1的新生代垃圾回收

既然G1的新生代也有Eden和Survivor的区分，那么触发垃圾回收的机制都是类似的

随着不停的在新生代的Eden对应的Region中放对象，JVM就会不停的给新生代加入更多的Region，直到新生代占据堆大小的最大比例60%。

一旦新生代达到了设定的占据堆内存的最大大小60%，比如都有1200个Region了，里面的Eden可能占据了1000个Region，每个Survivor是100个Region，而且Eden区还占满了对象，此时如下图所示。

这个时候还是会触发新生代的GC，G1就会用之前说过的复制算法来进行垃圾回收，进入一个“Stop the World”状态

然后把Eden对应的Region中的存活对象放入S1对应的Region中，接着回收掉Eden对应的Region中的垃圾对象，如下图。

但是这个过程跟之前是有区别的，因为G1是可以设定目标GC停顿时间的，也就是G1执行GC的时候最多可以让系统停顿多长时间，可以通过-XX:MaxGCPauseMills参数来设定，默认值是200ms。

那么G1就会通过之前说的，对每个Region追踪回收他需要多少时间，可以回收多少对象来选择回收一部分的Region，保证GC停顿时间控制在指定范围内，尽可能多的回收掉一些对象。

对象什么时候进入老年代

按照默认新生代最多只能占据堆内存60%的Region来推算，老年代最多可以占据40%的Region，大概就是800个左右的Region。

那么对象什么时候从新生代进入老年代呢？

可以说跟之前几乎是一样的，还是这么几个条件：

对象在新生代躲过了很多次的垃圾回收，达到了一定的年龄了，“-XX:MaxTenuringThreshold”参数可以设置这个年龄，他就会进入老年代

动态年龄判定规则，如果一旦发现某次新生代GC过后，存活对象超过了Survivor的50%

此时就会判断一下，比如年龄为1岁，2岁，3岁，4岁的对象的大小总和超过了Survivor的50%，此时4岁以上的对象全部会进入老年代，这就是动态年龄判定规则

大对象Region

以前说是那种大对象也是可以直接进入老年代的，那么现在在G1的这套内存模型下呢？

实际上这里会有所改变，G1提供了专门的Region来存放大对象，而不是让大对象进入老年代的Region中。

在G1中，大对象的判定规则就是一个大对象超过了一个Region大小的50%，比如按照上面算的，每个Region是2MB，只要一个大对象超过了1MB，就会被放入大对象专门的Region中而且一个大对象如果太大，可能会横跨多个Region来存放。如下图。

肯定还有人会问，那堆内存里哪些Region用来存放大对象啊？

不是说60%的给新生代，40%的给老年代吗，那还有哪些Region给大对象？

很简单，之前说过了，在G1里，新生代和老年代的Region是不停的变化的

比如新生代现在占据了1200个Region，但是一次垃圾回收之后，就让里面1000个Region都空了，此时那1000个Region就可以不属于新生代了，里面很多Region可以用来存放大对象。

那么还有人会问了，大对象既然不属于新生代和老年代，那么什么时候会触发垃圾回收呢？

也很简单，其实新生代、老年代在回收的时候，会顺带带着大对象Region一起回收，所以这就是在G1内存模型下对大对象的分配和回收的策略。

什么时候触发新生代+老年代的混合垃圾回收

G1有一个参数，是-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，他的默认值是45%

意思就是说，如果老年代占据了堆内存的45%的Region的时候，此时就会尝试触发一个新生代+老年代一起回收的混合回收阶段。

比如按照我们之前说的，堆内存有2048个Region，如果老年代占据了其中45%的Region，也就是接近1000个Region的时候，就会开始触发一个混合回收，如下图所示。

首先会触发一个“初始标记”的操作，这个过程是需要进入“Stop the World”的，仅仅只是标记一下GC Roots直接能引用的对象，这个过程速度是很快的。如下图，先停止系统程序的运行，然后对各个线程栈内存中的局部变量代表的GC Roots，以及方法区中的类静态变量代表的GCRoots，进行扫描，标记出来他们直接引用的那些对象。

接着会进入“并发标记”的阶段，这个阶段会允许系统程序的运行，同时进行GC Roots追踪，从GC Roots开始追踪所有的存活对象，如下图所示。

这里对GC Roots追踪做更加详细的说明，比如上图的代码

大家可以看到，Kafka这个类有一个静态变量是“replicaManager”，他就是一个GC Root对象，初始标记阶段，仅仅就是标记这个“replicaManager”作为GC Roots直接关联的对象，就是“ReplicaManager”对象，他肯定是要存活的。

然后在并发标记阶段，就会进行GC Roots追踪，会从“replicaManager”这个GC Root对象直接关联的“ReplicaManager”对象开始往下追踪

可以看到“ReplicasManager”对象里有一个实例变量“replicaFetcher”，此时追踪这个“replicaFetcher”变量可以看到他引用了“ReplicaFetcher”对象，那么此时这个“ReplicaFetcher”对象也要被标记为存活对象。

这个并发标记阶段还是很耗时的，因为要追踪全部的存活对象。但是这个阶段是可以跟系统程序并发运行的，所以对系统程序的影响不太大。而且JVM会对并发标记阶段对对象做出的一些修改记录起来，比如说哪个对象被新建了，哪个对象失去了引用。

接着是下一个阶段，最终标记阶段，这个阶段会进入“Stop the World”，系统程序是禁止运行的，但是会根据并发标记阶段记录的那些对象修改，最终标记一下有哪些存活对象，有哪些是垃圾对象，如下图所示。

最后一个阶段，就是“混合回收“阶段，这个阶段会计算老年代中每个Region中的存活对象数量，存活对象的占比，还有执行垃圾回收的预期性能和效率

接着会停止系统程序，然后全力以赴尽快进行垃圾回收，此时会选择部分Region进行回收，因为必须让垃圾回收的停顿时间控制在我们指定的范围内

比如说老年代此时有1000个Region都满了，但是因为根据预定目标，本次垃圾回收可能只能停顿200毫秒，那么通过之前的计算得知，可能回收其中800个Region刚好需要200ms，那么就只会回收800个Region，把GC导致的停顿时间控制在我们指定的范围内，如下图。

而且大家需要在这里有一点认识，其实老年代对堆内存占比达到45%的时候，触发的是“混合回收”也就是说，此时垃圾回收不仅仅是回收老年代，还会回收新生代，还会回收大对象。那么，到底是回收这些区域的哪些Region呢？

那就要看情况了，因为我们设定了对GC停顿时间的目标，所以说他会从新生代、老年代、大对象里各自挑选一些Region，保证用指定的时间（比如200ms）回收尽可能多的垃圾，这就是所谓的混合回收，如下图。

G1垃圾回收器的一些参数

一般在老年代的Region占据了堆内存的Region的45%之后，会触发一个混合回收的过程，也就是Mixed GC，分为了好几个阶段。

在这里最后一个环节，其实就是执行混合回收，从新生代和老年代里都回收一些Region。

但是最后一个阶段混合回收的时候，其实会停止所有程序运行，所以说G1是允许执行多次混合回收。

比如先停止工作，执行一次混合回收回收掉一些Region，接着恢复系统运行，然后再次停止系统运行，再执行一次混合回收回收掉一些Region。

有一些参数可以控制这个，比如“-XX:G1MixedGCCountTarget”参数，就是在一次混合回收的过程中，最后一个阶段执行几次混合回收，默认值是8次

意味着最后一个阶段，先停止系统运行，混合回收一些Region，再恢复系统运行，接着再次禁止系统运行，混合回收一些Region，反复8次。

如下图，假设一次混合回收预期要回收掉一共有160个Region，那么此时第一次混合回收，会回收掉一些Region，比如就是 20个 Region。

接着恢复系统运行一会儿，然后再执行一次“混合回收”，再次回收掉20个Region。

如此反复执行8次混合回收阶段之后，不就把预订的160个Region都回收掉了？而且还把系统停顿时间控制在指定范围内。

那么为什么要反复回收多次呢？因为你停止系统一会儿，回收掉一些Region，再让系统运行一会儿，然后再次停止系统一会儿，再次回收掉一些Region，这样可以尽可能让系统不要停顿时间过长，可以在多次回收的间隙，也运行一下。

还有一个参数，就是-XX:G1HeapWastePercent，默认值是5%

他的意思就是说，在混合回收的时候，对Region回收都是基于复制算法进行的，都是把要回收的Region里的存活对象放入其他Region，然后这个Region中的垃圾对象全部清理掉

这样的话在回收过程就会不断空出来新的Region，一旦空闲出来的Region数量达到了堆内存的5%，此时就会立即停止混合回收，意味着本次混合回收就结束了。而且从这里也能看出来G1整体是基于复制算法进行Region垃圾回收的，不会出现内存碎片的问题，不需要像CMS那样标记-清理之后，再进行内存碎片的整理。

还有一个参数，“-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent”，他的默认值是85%，意思就是确定要回收的Region的时候，必须是存活对象低于85%的Region才可以进行回收 否则要是一个Region的存活对象多余85%，你还回收他干什么？这个时候要把85%的对象都拷贝到别的Region，这个成本是很高的。

回收失败时的Full GC

如果在进行Mixed回收的时候，无论是年轻代还是老年代都基于复制算法进行回收，都要把各个Region的存活对象拷贝到别的Region里去

此时万一出现拷贝的过程中发现没有空闲Region可以承载自己的存活对象了，就会触发一次失败。

一旦失败，立马就会切换为停止系统程序，然后采用单线程进行标记、清理和压缩整理，空闲出来一批Region，这个过程是极慢极慢的。

适合场景

对 STW 特别敏感的业务上。这可能是实时通信之类的，也就是一些追求低延迟的响应的业务。

对的，还有就是那种大内存机器，比如16G，32G的机器部署的系统，不用G1一次回收时间太长了，内存满了对象太多了，用了G1可以控制，每次就回收部分Region即可

g1适合大堆的场景或者有业务不能有太高的延时

如果业务上不需要特别大的堆或者业务属于不需要及时反馈用户的比如贷款业务申请额度之后就后台处理了有额度以后在通知你这个时候 par new 加 cms可以用的

G1优化策略

对于新生代，和之前的理论差不多，主要目标是避免短期存活的对象进入老年代。

预估系统每次GC后存活对象，确保Survivor能放得下。

避免高峰期间，新生代对象满足动态年龄判断条件，导致短期存活对象进入老年代。

大对象有大对象Region，不占用老年代空间，基本不用考虑。

对于老年代；

对于可预测停顿时间，需要合理设置，并不是越小越好，如果过小，有可能多次回收效果不大，最终导致回收失败 FullGC，停顿系统线程。

G1HeapWastePercent 这个参数，我觉得应该可以适当提高，避免万一真的遇到了高峰期，短期存活对象进入老年代，但是回收的时候，进行了几次混合回收的时候，刚好达到了5%,但是在老年代Region中可能还是存在某些短期存活对象没有被回收。过早结束混合回收。

XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent这个参数，暂时不用管，降低这个参数可能会让Region的回收效率更高，但是也可能导致短期存活对象驻留内存时间过长，进入老年代的风险。