1. G1 垃圾回收器
Garbage First 簡稱 G1，是繼 CMS 垃圾回收器之後，又一款併發的垃圾回收器，在 JDK7 中被去掉 Experimental 標識，開始可以被正式使用，在 JDK9 中被 JVM 設置爲默認的垃圾回收器。G1 是垃圾收集器發展史上的一個新的里程碑，它採用分區算法，基於 Region 的內存佈局方式，對整個堆內存進行局部回收，既能回收新生代，也能回收老年代。G1 垃圾回收器的目標是在期望的停頓時間內，儘可能地提高系統的吞吐量。
2. G1 的特點
與上篇文章（JVM 系列之經典垃圾回收器（上篇））中提到的 6 款垃圾回收器相比，G1 垃圾回收器在垃圾回收過程中，不僅支持並行，還支持併發。另外 G1 在內存佈局以及實現思路上，與前面介紹的垃圾回收器具有非常大的不同之處。
2.1 region 分區
雖然 G1 仍然遵循分代收集理論，但是 G1 不再堅持固定大小、固定數量的分代區域劃分，而是將整個內存區域劃分爲若干個大小相等的獨立小區域（Region），每個 Region 都能扮演 Eden、Survivor、Old 區。新生代和老年代的內存在物理上不再是連續的，而是邏輯上處於連續。示意圖如下。
G1分區示意圖
在 G1 中，新增了一個 H 區的概念，如果一個對象的大小超過了一個 Region 的 50%，那麼該對象就會被直接存放進 H 區。如果一個 Region 無法存放下對象，那麼就會採用連續的多個 Region 來存放該超大對象。
每個 Region 的大小可以通過參數 「-XX:G1HeapRegionSize」 設置，取值範圍爲 1MB~32MB，且爲 2 的整數次冪。通常情況下，G1 會將堆內存劃分爲 2048 個 Region，如果我們指定堆內存的大小爲 4G ，那麼每個 Region 的大小爲 2MB。
2.2 停頓時間
G1 的另外一大特點是可以設置一個期望的停頓時間，然後在期望的停頓時間內，對「一部分 Region」進行垃圾回收。在平時的工作中，我們經常爲 JVM 設置合理的內存大小，優化部分參數，其實就是爲了儘量減少 Minor GC 和 Full GC，從而減少系統的停頓時間，而 G1 垃圾回收器直接我們提供了最大停頓時間這個參數（「-XX:MaxGCPauseMillis」）。
那麼 G1 是如何實現在期望的停頓時間內，完成垃圾回收的呢？
實際上，在系統運行過程中，G1 會收集每個 Region 的回收耗時、垃圾佔比等各個可測量的信息，然後計算回收每個 Region 帶來的收益大小（可回收的內存+回收耗時），通過維護一個優先級列表，然後在設置的最大停頓時間內，回收那些能帶來最大收益的 Region。
雖然 G1 爲我們提供了最大停頓時間這個參數，但是我們也不能異想天開的認爲，這個參數設置得越小越好。如果設置得太小，那麼會因爲每次 GC 可以停頓的時間太少，導致每次 GC 只能回收極少的 Region，如果此時內存的分配速度大於 Region 回收的速度，那麼在系統初期，可能會因爲還有空閒內存可以支撐一段時間，但是時間一長，就會導致空閒內存越來越少，最終觸發 Full GC，從而導致系統停頓時間更長。
2.3 併發執行
在併發標記階段，G1 的垃圾回收線程和用戶線程，是併發執行的，那麼 G1 是如何保證垃圾回收線程與用戶線程互不干擾的呢？在 CMS 中，採用的是增量收集算法，而在 G1 中採用的原始快照算法（SATB）。
2.4 運行流程
如果不考慮在垃圾回收過程中，用戶線程的運行動作（如使用寫屏障來維護記憶集等操作），那麼 G1 的運行流程大致可以分爲如下四個步驟：初始標記、併發標記、最終標記、篩選回收。
- 「初始標記」。僅僅只是標記出 GC Roots 直接關聯的對象（此時當前 Region 中的記憶集也會被當做是 GC Roots），並且還會修改 TAMS 指針，讓下一階段用戶線程併發執行時，能夠正確的在可用的 Region 中分配新對象。這一步會造成 STW，但是由於只標記和 GC Roots 直接相連的對象，所以暫停時間很短，具體暫停多長時間，和 GC Roots 的數量有關。另外由於該階段是借用進行 Minor GC 是同步完成的，因此不會額外造成停頓。
- 「併發標記」。從上一步標記出的對象出發，遍歷整個對象圖，這一步耗時較長，但是由於是和用戶線程併發執行，因此不會造成 STW。
- 「最終標記」。由於在併發標記階段，垃圾回收線程和用戶線程併發執行，因此在這一過程中，可能會由於用戶線程改變了對象的引用關係，造成對象”消失“，因此還需要重新處理 SATB（原始快照）記錄下在併發階段有引用關係改動的對象，這一過程就是在最終標記階段完成的，會造成 STW，否則如果用戶線程還一直進行，就會不停地造成對象引用關係的改變，我們就得不停的處理 SATB 記錄。雖然會造成 STW，但畢竟 SATB 記錄的引用改變的對象不會特別多，因此耗時比並發標記階段的耗時會少很多。在這一步中，如果發現當前 Region 中的所有對象都是垃圾對象，那麼就會立即對當前 Region 進行回收。
- 「篩選回收」。負責更新 Region 的統計數據，根據每個 Region 的回收價值和成本進行排序，然後根據用戶期望停頓的時間內來指定回收計劃，可以選擇多個 Region 構成回收集，然後採用複製算法，將 Region 中存活的對象複製到空閒的 Region 中，從而回收 Region。
G1運行示意圖
整體上看，G1 垃圾回收的 4 個階段，只有併發標記階段不會造成 STW，其他階段都會產生 STW，因此它並非純粹的追求低延時。
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關於上面提到的「記憶集、對象”消失"、TAMS 指針、SATB（原始快照）」 等概念，有興趣的朋友可以自行上網查閱，內容較多，這裏就不展開說明。
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2.5 優缺點
與同樣具有低延時的垃圾回收器 CMS 相比，G1 既有優點也有缺點。
首先，G1 中可以指定最大停頓時間、對內存進行 Region 分區、按照收益動態進行垃圾回收，這些特性帶來的紅利都是 CMS 所不具有的。另外，G1 垃圾回收器從局部看，採用的的是複製算法，將一個 Region 中存活的對象複製到另一個 Region 中；從整體上看，G1 回收器採用的是標記-壓縮（整理）算法。這兩種算法最終都不會帶來內存碎片，這有利於系統的長時間運行。而 CMS 則是採用的是標記-清除算法，會帶來內存碎片，當連續內存不足以分配一個對象時，會產生 Full GC。
雖然 G1 的優點很多，但是它還不足以完全替代 CMS，它也存在在很明顯的缺點。
「G1 的內存佔用相對而言，比較大」。G1 堆內存採用 Region 分區設計，每個 Region 中都存在一個記憶集，而其他傳統的垃圾回收器中，整個堆內存只需要維護一份記憶集即可，因此 G1 中記憶集所佔用的內存相比傳統的垃圾回收器而言，會大很多。「加上其他內存消耗，G1 所佔用的內存空間可能達到堆內存的 20%，甚至更多」。（這個數據參考自周志明《深入理解 Java 虛擬機》第三版）。
「G1 對系統造成的負載較高」。G1 和 CMS 都是用到了寫屏障來維護記憶集，不同的是，CMS 使用了寫後屏障來維護記憶集，而 G1 在設計上由於更復雜，不僅使用了寫前屏障還使用了寫後屏障。G1 中寫前屏障用來跟蹤併發時的指針變化，從而實現 SATB（原始快照算法），使用寫後屏障來維護記憶集中的卡表。由於 G1 對寫屏障的複雜操作比 CMS 會消耗更多的資源，因此在 CMS 中，直接使用同步操作來實現寫屏障，而在 G1 中不得不使用類似於隊列的數據結構來實現寫前屏障和寫後屏障，進行異步處理。
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在重新標記階段，CMS 使用的是增量更新算法，而 G1 使用的是 SATB（原始快照）算法，原始快照搜索能夠減少在併發標記階段和最終標記階段的時間消耗，避免像 CMS 在最終標記階段停頓時間過程的缺點，但是原始快照算法會使系統的負載加重。
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總的來說，G1 並不能在任何場景下取代 CMS，「G1 更適合在大內存的機器中使用，CMS 更適合在小內存機器中使用，這個內存大小的界限大概爲 6~8G」。（這個數值也是參考自周志明《深入理解 Java 虛擬機》第三版一書）。
3. G1 垃圾回收器的運行細節
G1 垃圾回收器既能回收新生代，又能回收老年代，那麼究竟在什麼情況下會觸發新生代 GC，什麼情況下觸發老年代 GC 呢？
3.1 什麼時候觸發新生代 GC
在 G1 中，Eden、Survivor、老年代的大小是在動態變化的。在初始時，新生代佔整個堆內存的 5%，可以通過參數「G1NewSizePercent」設置，默認值爲 5。
在 G1 中，雖然進行了 Region 分區，但是新生代依舊可以被分爲 Eden 區和 Survivor 區，參數 SurvivorRatio 依舊錶示 Eden/Survivor 的比值。
隨着系統的運行，Eden 區的對象越來越多，當達到 Eden 區的最大大小時，就會觸發 Minor GC。新生代的最大大小默認爲整個堆內存的 60%，可以通過參數「G1MaxNewSizePercent」控制，默認值爲 60。
G1 垃圾回收器在進行新生代的垃圾回收時，會採用複製算法來回收垃圾，不用考慮併發的場景，全程都是 STW，它會根據設置的停頓時間，儘可能的最大效率的回收新生代區域。
3.2 什麼時候進入到老年代
新生代的對象要進入老年代，需要達到以下兩個條件中的其中之一即可。
- 「多次躲過新生代的回收」，對象年齡達到「MaxTenuringThreshold」，該參數默認值爲 15。 在每次 Minor GC 時，新生代的對象如果存活，會被移動到 Survivor 區中，同時會將對象的年齡加 1，當對象的年齡達到 MaxTenuringThreshold 後，就被被移到老年代中。
- 「符合動態年齡判斷規則」。如果某次 Minor GC 過後，發現 Survivor 區中相同年齡的對象達到了 Survivor 的 50%，那麼該年齡及以上的對象，會被直接移動到老年代中。 例如某次 Minor GC 過後，Survivor 區中存在年齡分別爲 1、2、3、4 的對象，而年齡爲 3 的對象超過了 Survivor 區的 50%，那麼年齡大於等於 3 的對象，就會被全部移動到老年代中。
3.3 什麼時候觸發混合 GC
在 G1 中，「不存在單獨回收老年代的行爲，而是當要發生老年代的回收時，同時也會對新生代以及大對象進行回收，因此這個階段稱之爲混合回收（Mixed GC）」。
當老年代對堆內存的佔比達到 45%時，就會觸發混合回收。可以通過參數「
InitiatingHeapOccupancyPercent」來設置當堆內存達到多少時，觸發混合 GC，該參數的默認值爲 45。
當觸發混合 GC 時，會依次執行初始標記（在 Minor GC 時完成）、併發標記、最終標記、篩選回收這四個過程。最終會根據設置的最大停頓時間，來計算對哪些 Region 區域進行回收帶來的收益最大。
實際上，在篩選回收階段，可以分多次回收 Region，具體多少次可以通過參數「G1MixedGCCountTarget」控制，默認值爲 8 次。具體什麼意思呢？
假如現在有 80 個 Region 需要被回收，因爲篩選回收階段會造成 STW，如果一下子全部回收這 80 個 Region，可能造成的停頓時間較長，因此 JVM 會分 8 次來回收這些 Region，每次先回收 10 個 Region，然後讓用戶線程執行一會，接着再讓 GC 線程回收 10 個 Region，直至回收完這 80 個 Region，這樣儘可能的降低了系統的暫停時間。
G1 垃圾回收器的回收思路是：不需要對整個堆進行回收，只需要保證垃圾回收的速度大於內存分配的速度即可。因此在每次進行 Mixed GC 時，雖然我們設置了停頓時間，但是當回收得到的空閒 Region 數量達到了整個堆內存的 5%，那麼就會停止回收。可以由參數「G1HeapWaterPercent」控制，默認值爲 5%。
另外，在混合回收的過程中，由於使用的是複製算法，因此當一個 Region 中存活的對象過多的話，複製這個 Region 所耗費的時間就會較多，因此 G1 提供了一個參數，用來控制當存活對象佔當前 Region 的比例超過多少後，就不會對該 Region 進行回收。該參數爲「
G1MixedGCLiveThresholdPercent」，默認值爲 85%。
3.4 觸發 Full GC
在進行混合回收時，使用的是複製算法，如果當發現空閒的 Region 大小無法放得下存活對象的內存大小，那麼這個時候使用複製算法就會失敗，因此此時系統就不得不暫停應用程序，進行一次 Full GC。進行 Full GC 時採用的是單線程進行標記、清理和整理內存，這個過程是非常漫長的，因此應該儘量避免 Full GC 的觸發。
4. 調優思路
介紹了這麼多 G1 相關的知識，而然實際上 G1 用起來卻十分簡單：-XX:+UseG1GC，難的是 JVM 的系統調優。G1 垃圾回收器中最重要的一個參數是：「MaxGCPauseMillis」，而要對 G1 進行調優，大概率就是結合系統的實際情況，來調整 MaxGCPauseMillis 的值。
該值設置的太小，雖然在 GC 回收時停頓時間較短，但是每次回收的 Region 也會較少，如果內存分配速度過快，就需要頻繁的進行 GC，當回收速度跟不上內存分配速度時，會造成 Full GC。
如果設置得過大，那麼雖然每次回收可以獲得的空閒 Region 較多，但是系統停頓時間會過長，也不好。因此需要結合系統的實際情況，通過相關的工具，實時查看系統的內存情況，從而決定如何調整該參數。
另外應該儘量「減少 Mixed GC 發生的次數」。觸發 Mixed GC 的條件是老年代佔用堆內存到達 45%時，因此可以適當地調大該值。不建議使用，儘量使用默認值即可。
我們可以從源頭上考慮，觸發混合 GC 是因爲老年代對象過多，而老年代的對象從哪兒來的？當 Survivor 區中的對象年齡達到閾值或者存活的對象數量太多，導致 Survivor 無法容納下，最終使對象進入到老年代。
如果 MaxGCPauseMillis 設置得過大，會導致很久才進行一次新生代回收，由於新生代的對象積攢過多，存活的對象數量也可能比較多，當 Survivor 無法存放下時，可能觸發動態年齡判斷條件，從而導致對象直接進入到老年代中，進而導致 Mixed GC。
如果 MaxGCPauseMillis 設置得過小，導致新生代回收頻繁，存活對象的年齡增長過快，從而進入到老年代，又會造成 Mixed GC。
因此想要減少 Mixed GC 發生的次數，其核心也是需要控制 MaxGCPauseMillis 參數的大小。
關於 G1 垃圾回收器，它有很多參數可以進行設置，在具體使用過程中，如何進行調優，需要結合實際情況進行設置。這裏筆者只是提供一個思路，個人認爲「MaxGCPauseMillis」參數是 G1 調優的核心，且能對哪些參數進行調優的前提是：需要明白 G1 垃圾收集器的工作原理以及這些參數對 G1 是如何影響的。
5. 總結
本文主要介紹了 G1 垃圾收集器的工作原理，以及相關特點，如 Region 分區、可控的停頓時間等，相比較另外 6 款經典的垃圾回收器，這些新的特性促使 G1 的回收效率更高，應用更加廣泛。
最後結合 G1 的工作原理，提供了一種 G1 的調優思路：結合實際情況調整 MaxGCPauseMillis 參數的值。