目錄

1. 簡介

2. G1 GC 的設計目標

3. 內存結構

4. 回收過程

   • 初始標記（Initial Mark）
   • 并發標記（Concurrent Mark）
   • 最終標記（Final Mark / Remark）
   • 篩選回收（Cleanup / Evacuation）

5. 混合回收（Mixed GC）

6. 與其他 GC 的比較

7. 優缺點

8. 調優建議

9. 總結

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簡介

G1（Garbage-First）是一種服務于 多核、大內存、低延遲 應用場景的 服務器端垃圾收集器，自 JDK 9 起成為默認 GC。其主要目標是以可預測的停頓時間來實現高吞吐量。

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G1 GC 的設計目標

• 可預測的 GC 停頓時間（如 <200ms）
• 減少 Full GC 的頻率
• 高吞吐量與低延遲的平衡
• 并行與并發執行，提高 CPU 利用率

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內存結構

G1 GC 將堆劃分為多個等大小的 Region（區域），每個 Region 大小為 1MB 到 32MB（默認 4MB），總數不超過 2048。

• 年輕代（Young Generation）：包含 Eden 和 Survivor 區域，分布在多個 Region 中
• 老年代（Old Generation）：由存活對象多次晉升后形成
• Humongous Region：用于存放大對象（大于一個 Region 的一半）

+------------------------------------------------------+
|                      Java Heap                       |
| +-----------+  +-----------+  +-----------+          |
| |  Eden     |  | Survivor  |  |  Old Gen  |   ...     |
| |  Region   |  |  Region   |  |  Region   |           |
| +-----------+  +-----------+  +-----------+           |
+------------------------------------------------------+

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回收過程

G1 的 GC 過程主要分為以下階段：

初始標記（Initial Mark）

• 標記從 GC Roots 可達的對象
• 只處理 Eden 區中的新對象引用
• 與 Minor GC 一起發生（STW）

并發標記（Concurrent Mark）

• 并發執行，不會暫停應用線程
• 遍歷整個堆中的對象圖，識別存活對象
• 構建每個 Region 的存活率統計信息

最終標記（Final Mark / Remark）

• STW 階段
• 補充并發標記過程中遺漏的變更
• 采用 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）寫屏障

篩選回收（Cleanup / Evacuation）

• 選出回收價值高的 Region 進行回收（依據回收成本與收益）
• 將存活對象移動（Evacuation）到其他 Region
• 回收原 Region，形成空 Region

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混合回收（Mixed GC）

在 Full GC 之前，G1 會執行 Mixed GC：

• 回收部分 Old Region + 所有 Young Region
• 并非一次完成，分多次 Mixed GC 執行，降低單次停頓時間
• 策略性選擇回收的 Old Region

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與其他 GC 的比較

特性	CMS	G1 GC	ZGC/ Shenandoah
并發標記	有	有	有
并發清理	有	有（只處理部分 Region）	有
Region 化	否（分代）	是（統一 Region）	是
停頓時間	不可預測	可預測	極低停頓
吞吐量	高	高	中
優化目標	響應性	響應性 + 吞吐量	極低延遲

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優缺點

優點

• 可預測的 GC 停頓時間
• 更高的并發度與吞吐量
• 減少 Full GC 發生頻率
• 自動調整回收策略

缺點

• 配置復雜度略高
• 對大對象的處理仍不理想（Humongous Objects）
• 初期占用 CPU 多，可能影響響應性

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調優建議

• 設置最大停頓時間目標：

  -XX:MaxGCPauseMillis=200
  

• 啟用 G1 GC：

  -XX:+UseG1GC
  

• 控制堆內存大小：

  -Xms4g -Xmx4g
  

• 限制 Humongous 對象產生，使用對象池

• 監控指標：

  • gc.pause
  • gc.alloc.rate
  • gc.live.data.size
  • gc.heap.size

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總結

G1 GC 是一款結合了 吞吐量、低延遲、可預測停頓 特性的現代垃圾回收器，非常適合服務端、大型 Java 應用。它通過 Region 化設計、分階段回收與混合策略，達成了響應性和高效性的平衡。

在對 GC 行為有更高可控需求的場景下，G1 是比 CMS 更優秀的選擇。