G1 GC，全称Garbage-First Garbage Collector，从官网的描述中说明G1是一种服务器端的垃圾收集器，应用在多处理器和大容量内存环境中，在实现应用高吞吐量的同时，尽可能的满足垃圾收集暂停时间的要求（可预测停顿），停顿预测模型的意思是能够支持指定在一个时间长度为M毫秒的时间片段内消耗在垃圾收集上的时间大概率不超过N毫秒这样的目标。并且部分回收过程是和应用线程并发执行，采用复制和标记整理算法来减少内存碎片。

G1回收期与传统的收集器不同的是，传统的回收器要么是整个新生代（Minor GC），要么就是整个老年代（Major GC）要么是整个Java堆（Full GC）。而G1跳出这个逻辑，可以面向堆内存中任何部分来组成回收集（Collection Set,CSet）进行回收，衡量标准不再是它属于哪一个分代，而是内存哪块区域存放的垃圾最多，回收收益最大，这就是G1收集器的Mixed GC模式。虽然G1仍然保留新生代老年代的概念，但是新生代和老年代不再是固定不变的区域，它们都是一系列不用连续的动态集合。

1.核心概念

（1）分区

传统的GC收集器将连续的内存空间划分为新生代、老年代和永久代（JDK 8去除了永久代，引入了元空间Metaspace），这种划分的特点是各代的存储地址是连续的。

图1

而G1将整个堆分为相同大小的分区，每个分区都可能是Eden区、Survivor区或老年代，同类型的Region可以不连续。

图2

还有一些分区标明了H，表示巨型对象（humongous object，H-obj），它们代表大小大于等于region一半的对象（后面会继续说明H-obj的特点）。

（2）CardTable

Card Table是划分堆的数据结构，将整个堆内存划分成一个个大小为512字节的Card，并维护一个Card Table来存储每张Card的标识位。Card Table是单字节数组，每一个元素可以用来标示所在老年代Card中对象是否持有新生代Card中对象的引用，有持有则称该老年代Card是Dirty Card。Card Table不是G1独有的结构。

图3

Card Table目的是回收新生代时减少老年代的全堆空间扫描，从而高效GC。在回收新生代的过程中，老年代对象可能引用新生代的对象，所以在GC Roots Tracing过程中就需要全堆扫描存活对象，这就导致回收新生代代价太高。Card Table的引入可以解决这个问题，因为只需要在Card Table中寻找Dirty Card，并加入GC Roots中，Dirty Card扫描后便会将其标识位清空（普通Card）。

每次引用发生变化时都需要更新Card Table，一般采用post-write barrier（引用发生变化后的处理逻辑）和处理线程来更新维护Card Table。

（3）RSet

RSet全称Remembered Set，这是一种抽象概念，用来辅助GC过程，在分代式GC时用于记录从非收集部分（Old Generation）指向收集部分（Young Generation、Old Generation）的指针集合的抽象数据结构。RSet在Card Table的基础上实现的，每个Region都有一份，这个RSet记录的是xx Region的xx Card指向RSet所在Region，这是一种"points-into"（谁引用了我的对象）的结构，而Card Table是"points-out"（我引用了谁的对象）的结构。因此，RSet是一个Hash Table，Key是别的Region的起始地址，Value是一个集合，里面的元素是别的Region的Card Table Index。

举例来说，如果Region2的RSet里有一项的Key是Region1，Value里有Index为1234的Card，意思是Region1的一个Card里有引用指向Region2。所以对Region2来说，该RSet记录的是“points-into”的关系，而Card Table仍然记录了"points-out"的关系。

图4

作用

在做YGC的时候，除了Young Generation GC Root Tracing外，只需要选定Young Generation Region的RSet作为根集，这些RSet记录了Old->Young的跨代引用，避免了扫描整个Old Generation Region。 而MixedGC的时候，Old Generation Region中记录了Old->Old的RSet，Young->Old的引用由扫描全部Young Generation Region得到，这样也不用扫描全部Old Generation Region。至于为什么RSet只记录了Old->Old/Young引用是因为Young  Generation的引用变化非常频繁，GC时不如直接扫描Young  Generation Region带来的收益高（G1的YGC和MixedGC过程都会全盘扫描Young Generation Region）。

每次引用发生变化都需要更新RSet，“引用发生变化”在程序中体现就是在给引用类型的字段赋值，如果每次给引用类型的字段赋值都要更新RSet，这带来的额外开销实在太大，G1中采用post-write barrier和ConcurrentG1RefineThread实现了RSet的更新。

（4）三色标记法

基本算法

三色标记法是一些垃圾收集器的标记阶段使用的算法，在GC Roots遍历过程中，标记出哪些对象是存活的，哪些是垃圾（可回收）。

该算法将对象的状态分成三种颜色：

白色：尚未访问过。

黑色：该对象已访问过，而且该对象所引用的其他对象也全部访问过了。

灰色：该对象已访问过，但是该对象所引用的其他对象尚未全部访问完。

假设现在有白、灰、黑三个集合（表示当前对象的颜色），其遍历访问过程为：

初始时，所有对象都在【白色集合】中。

将GC Roots直接引用到的对象放入【灰色集合】中。

从灰色集合中获取对象：将本对象引用到的其他对象全部挪到【灰色集合】中；将本对象放入【黑色集合】里面。

重复步骤3，直至【灰色集合】为空时结束。

结束后，仍在【白色集合】的对象即为GC Roots不可达，可以进行回收。

图5

（5）Snapshot-At-The-Beginning(SATB)

在并发收集周期的第一个阶段（初始标记）是STW的，会给所有的分区做个快照，后面的扫描都是按照这个快照进行；在并发标记周期的第二个阶段，并发标记，这是收集线程和应用线程同时进行的，这时候应用线程就可能修改了某些引用的值，导致上面那个快照不是完整的，因此G1就想了个办法，我把在这个期间对对象引用的修改都记录动作都记录下来（有点像mysql的操作日志）。

G1的SATB的设计使得重新标记(remark)阶段只需要扫描改动的记录，而CMS在remark阶段需要重新扫描所有的线程栈和年轻代作为GC roots。

2.回收主要过程

G1主要包含的四种操作

（1）Young GC：Eden区域满了后触发，并行收集整个新生代，且完全STW。

（2）并发标记周期：它的第一个阶段初始化标记和YGC一起发生，这个阶段的目的就是找到回收价值最大的Region集合（垃圾很多，存活对象很少），为接下来的Mixed GC服务。

（3）Mixed GC：回收所有年轻代的Region和部分老年代的Region，Mixed GC可能连续发生多次。

（4）Full GC：非常慢，会STW且回收所有类型的Region。

2.1 Young GC

Young GC是STW的，在分配一般对象（非巨型对象）时，当所有Eden Region使用达到最大阈值并且无法申请足够内存时，会触发一次Young GC。每次Young GC会回收所有Eden以及一个Survivor区，并且将存活对象复制到Old区（涉及到晋升到老年代规则）以及另一个的Survivor区。

Young GC一般过程：

扫描GC Roots根对象。

处理Dirty Card，更新RSet。ConcurrentG1RefineThread会对Dirty Card的分区进行扫描更新日志缓冲区来更新RSet，但只会处理全局缓冲列表。作为补充，所有被记录但是还没有被ConcurrentG1RefineThread处理的剩余缓冲区，会在该阶段处理，变成已处理缓冲区(Processed Buffers)。

扫描RSet，扫描RSet中所有Old区对扫描到的Young区引用，避免了Old区全扫描。

拷贝扫描出的存活的对象到Survivor/Old区，将待回收的Region全部加入CSet进行回收。

Global Concurrent Marking

Global Concurrent Marking是为Mixed GC提供标记服务的（一般会将Global Concurrent Marking包含在Mixed GC过程中，这里单独拆开描述），用来统计出收集收益最高的若干老年代Region。主要使用Region的bitmap结构和TAMS指针来支持整个标记过程，下节开始会按照Global Concurrent Marking的四个步骤对两个bitmap和两个TAMS指针进行详细说明。

四个步骤：

初始标记（Initial Marking，STW）

并发标记（Concurrent Marking）

最终标记（Remark，STW）

清理阶段（Cleanup）

bitmap结构：prevBitmap和nextBitmap。preBitmap记录是上一轮Concurrent Marking后的老年代Region对象的标记状态，因为上一轮已经完成，所以可以直接使用prevBitmap；nextBitmap是当前这一轮Concurrent Marking的结果，尚未完成，不能使用。当前这一轮Concurrent Marking结束后，prevBitmap和nextBitmap互换。

TAMS指针：prevTAMS和nextTAMS。prevTAMS记录的上一轮Concurrent Marking后的老年代Region对象的top指针（指向已使用部分最大地址）位置；nextTAMS记录的是当前这一轮Concurrent Marking的top指针。当前这一轮Concurrent Marking结束后，prevTAMS和nextTAMS互换。

初始标记（Initial Marking, STW）

这阶段仅仅只是标记GC Roots能直接关联到的对象，直接关联到的对象就是下图Region内存已使用的部分中（botoom和top指针之间）；并修改nextTAMS的指针指向为top和创建nextBitmap，就绪后让下一阶段应用线程并发运行时，能在可用的Region中创建新对象。这是STW的过程，共用了Young GC的暂停，这是因为他们可以复用GC Roots Scan操作，所以可以说Global Concurrent Marking是伴随Young GC而发生的。

图6

并发标记（Concurrent Marking）

在并发标记阶段，下图GC线程工作在prevTAMS和nextTAMS 之间，对堆里的对象进行GC Roots可达性分析，边标记边更新nextBitmap，黑色对应的是存活对象，白色对应的垃圾对象。应用线程是工作在bottom和top之间的，和GC线程工作区间不重叠的地方是新对象的创建（创建新对象分配在nextTAMS和top指针之间），而重叠的地方可能会造成对象误标，所以还要同时处理pre-write barrier记录的在并发时有引用变动的对象，以上来保证SATB。

图7

最终标记（Remark, STW）

这一阶段对应用线程做另一个短暂的暂停，用于处理并发标记阶段结束后仍遗留下来的最后那少量的pre-write barrier引用变动记录，这是因为并发标记阶段处理pre-write barrier引用变动的时候应用线程还可能持续在产生新的引用变动，所以必须STW一会来处理剩余的最后一小部分记录。

图8

清理阶段（Cleanup）

这阶段包括了清理和回收。这阶段的清理是将nextBitmap和prevBitmap合并，并统计该Region有多少对象存活，如果该Region没有对象存活，那么就会在该阶段的回收部分进行整体回收，并加入到可分配Region列表中。最后将prevBitmap和nextBitmap互换，prevTAMS和nextTAMS互换。

图9

以上便是G1收集器进行YGC的过程。

2.2 Mixed GC特点：

（1）Mixed GC是完全STW的，它根据用户设置的停顿时间目标，可以选择回收所有年轻代，以及部分老年代Region集合（CSet）

（2）在一次完整的全局并发标记周期后，如果满足触发Mixed GC的条件，那么就会执行Mixed GC，并且Mixed GC可能会执行多次。当整个堆的使用率超过指定百分比时，GC会启动新一轮的并发标记周期。

何时发生Mixed GC?被几个参数控制：

（1）G1HeapWastePercent：在global concurrent marking结束之后，我们可以知道老年代中有多少空间要被回收，如果老年代中可回收的内存/老年代总内存到此参数（默认5%），才会发生Mixed GC；否则发生YGC。

（2）有多少分区会被认定为垃圾分区。-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=n表示如果一个分区存活对象比例超过n，就不会被选为垃圾分区。值越大越容易被当做垃圾分区。通过它可以控制每次混合收集的分区个数

（3）G1在一个并发周期中，最多经历几次Mixed GC，这个可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget=n设置，默认是8，如果减小这个值，可以增加每次混合收集收集的分区数，但是可能会导致停顿时间过长；

（4）最大停顿时间MaxGCPauseMillis，默认是200ms，如果实际运行时间比这个值小，G1就能收集更多的分区

在选定CSet后，G1在执行Evacuation阶段时，其实就跟YGC的算法类似，采用并行复制算法把CSet里每个Region中的存活对象拷贝到新的Region里，然后回收掉这些Region，整个过程完全STW。这个过程相当于进行压缩，因此G1出现碎片化的频率比CMS小得多

Evacuation拷贝&清理

Evacuation，就是将存活对象拷贝到1个或多个Region中，并清理RSet中的Region；YGC和Mixed GC中都包含这个过程。

STW阶段，Evacuation过程有两种模式：既可能由YGC来完成，只回收所有的年轻代（GC日志样例：[GC pause (young)]）。也可能是Mixed GC来完成的，即回收所有的年轻代外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的部分老年代Region（GC日志样例：[GC Pause (mixed)]）:

也就是说，并发标记周期之后不一定发生Mixed GC，需要看是否满足Mixed GC的条件。

2.3 Full GC

在G1的正常工作流程中没有Full GC的概念，老年代的收集全靠Mixed GC来完成。

（1）但是，毕竟Mixed GC有搞不定的时候，如果Mixed GC实在无法跟上程序分配内存的速度，导致老年代填满无法继续进行Mixed GC，就会切换到G1之外的Serial Old GC来收集整个堆，进入这种状态的G1就跟-XX:+UseSerialGC的Full GC一样（背后的核心代码是两者共用的），在发生Full GC时是单线程运行的，因此应该尽量避免发生Full GC。

（2）这就是为什么不建议G1模式下参数-XX:MaxGCPauseMillis=200 的值设置太小，如果设置太小，可能导致每次Mixed GC只能回收很小一部分Region，最终可能无法跟上程序分配内存的速度，从而触发Full GC。

（3）顺带一提，G1模式下的System.gc()默认也是Full GC，。只有加上参数 -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent 时G1才会用自身的并发GC来执行System.gc()；

几种导致Full GC的情况：

（1）concurrent mode failure

说明：G1并发标记期间，如果在标记结束前，老年代被填满，G1 会放弃标记。

解决：增加堆大小；调整并发周期，例如增加并发标记的线程数，让并发标记尽快结束；更早进行并发周期，默认是整堆45%占用就开始

（2）晋升失败

说明：混合收集过程中，伴随着年轻代垃圾收集，进行清理老年代空间，如果这个时候清理的速度小于消耗的速度，导致老年代不够用，那么会发生晋升失败。

（3）疏散失败--to space overflow

说明：YGC的时候，如果 Survivor 和 Old 区没有足够的空间容纳所有的存活对象

（4）大对象分配失败，没有连续可用的region存放巨型对象(G1会挑选出1组物理连续的可用 Region, 相加后只要能够确保总大小可以存放这个巨型对象，就会分配给这个巨型对象。反之如果没有能够找到符合条件的连续可用Region ，会执行1次Full GC压缩堆)

（5）元空间 = MaxMetaspaceSize

3.巨型对象的管理

巨型对象：一个对象的大小超过region大小的一半。

特点：

巨型对象直接分配到了老年代，防止了反复拷贝移动。

在JDK8u40之前，巨型对象的回收只能在并发收集周期的clean up或FULL GC过程中被回收，在JDK8u40（包括这个版本）之后，一旦没有任何其他对象引用巨型对象，那么巨型对象也可以在YGC中被回收

巨型对象存放在连续可用的region，并且独占region

如果发现有很多由于巨型对象分配引起的连续并发周期，并且堆已经碎片化了(明明空间够，却触发full GC)，可以考虑使用-XX:G1HeapRegionSize命令增大分区大小，将巨型对象变为普通对象，从而减少巨型对象分配对GC的影响。

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