系列十三（面试）、谈谈你对G1垃圾收集器的理解

一、G1垃圾收集器

1.1、概述

        G1（Garbage-First）收集器，是一款面向服务端应用的垃圾收集器，应用在多处理器和大容量的内存环境中，在实现高吞吐量的同时，尽可能的满足垃圾收集暂停时间的要求。另外，它还具有如下特性：

（1）像CMS收集器一样，能与应用程序并发执行；

（2）整理空闲空间更快；

（3）需要更多的时间来预测GC停顿时间；

（4）不希望牺牲大量的吞吐性能；

（5）不需要更大的Java Heap；

G1收集器的设计目标是取代CMS收集器，它同CMS相比，在以下方面表现的更加出色：

（1）G1是一个有整理内存过程的垃圾收集器，不会产生很多内存碎片；

（2）G1的STW（Stop The World）更可控，G1在停顿时间上添加了预测机制，用户可以指定期望停顿的时间；

闲话：

        CMS垃圾收集器虽然减少了暂停应用程序的运行时间，但是它还是存在着内存碎片问题。于是，为了去除内存碎片问题，同时又保留CMS垃圾收集器低暂停时间的优点，JAVA7发布了一个新的垃圾收集器，即：G1垃圾收集器。G1是在2012年jdk1.7u4中可用。oracle官方计划是在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器以替代CMS。它是一款面向服务端应用的收集器，主要应用在多CPU和大内存服务器环境下，极大的减少垃圾收集的停顿时间，全面提升服务器的性能，逐步替换java8以前的CMS收集器。
        主要改变是Eden，Survivor和Tenured等内存区域不再是连续的了，而是变成了一个个大小一样的region ,每个region从1M到32M不等。一个region有可能属于Eden，Survivor或者Tenured内存区域。

1.2、G1收集器的特点

（1）G1能充分利用多CPU、多核环境硬件优势，尽量缩短STW（Stop The World）；

（2）G1整体上采用标记-整理算法，局部是通过复制算法，不会产生内存碎片；

（3）宏观上看G1之中不再区分年轻代和老年代。把内存划分成多个独立的子区域(Region)，可以近似理解为一个围棋的棋盘；

（4）G1收集器里面将整个的内存区都混合在一起了，但其本身依然在小范围内要进行年轻代和老年代的区分，保留了新生代和老年代，但它们不再是物理隔离的，而是一部分Region的集           合且不需要Region是连续的，也就是说依然会采用不同的GC方式来处理不同的区域；

（5）G1虽然也是分代收集器，但整个内存分区不存在物理上的年轻代与老年代的区别，也不需要完全独立的survivor(to space)堆做复制准备。G1只有逻辑上的分代概念，或者说每个分区都可能随G1的运行在不同代之间前后切换;

1.3、以前垃圾收集器的特点

（1）年轻代和老年代是各自独立且连续的内存块；

（2）年轻代收集垃圾使用复制算法；

（3）老年代收集必须扫描整个老年代区域；

（4）都是以尽可能少而快速地执行GC为设计原则；

1.4、底层原理

1.4.1、Region区域化垃圾收集器

        区域化内存划片Region，整体变为了一些列不连续的内存区域，避免了全内存区的GC操作。核心思想是将整个堆内存区域分成大小相同的子区域(Region)，在JVM启动时会自动设置这些子区域的大小，在堆的使用上，G1并不要求对象的存储一定是物理上连续的，只要逻辑上连续即可，每个分区也不会为某个固定地generation服务，可以按需在年轻代和老年代之间切换。启动时可以通过参数 -XX:G1HeapRegionSize=n 指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的幂)，默认将整堆划分为2048个分区。大小范围在1MB~32MB，最多能设置2048个区域，也即能够支持的最大内存为:32MB*2048=65536MB=64G内存。Region区域化垃圾收集最大的好处是：化整为零，避免全内存扫描，只需要按照区域来进行扫描即可。

1.4.2、回收步骤

        针对Eden区进行收集，Eden区耗尽后会被触发，主要是小区域收集＋形成连续的内存块，避免内存碎片。详细过程如下：

（1）Eden区的数据移动到Survivor区，假如出现Survivor区空间不够，Eden区数据会部会晋升到Old区

（2）Survivor区的数据移动到新的Survivor区，部会数据晋升到Old区；
（3）最后Eden区收拾干净了，GC结束，用户的应用程序继续执行；

1.4.3、4步过程

初始标记：只标记GC roots能直接关联到的对象；

并发标记：进行GC roots Tracing的过程；
最终标记：修正并发标记期间，因程序运行导致标记发生变化的那一部分对象；

筛选回收：根据时间来进行价值最大化的回收
流程如下：

        

1.5、案例

/**
 * @Author : 一叶浮萍归大海
 * @Date: 2023/12/21 18:37
 * @Description: 演示G1垃圾收集器案例代码
 *      VM参数：-Xms10m -Xmx10m -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+UseG1GC
 */
public class GCVmOptionsMainApp {

    public static void main(String[] args) {
        String message = "欧耶，今天星期五!";
        while (true) {
            message += message + new Random().nextInt(88888888) + new Random(99999999);
        }
    }

}

1.6、常用配置参数（了解）

（1）-XX:+UseG1GC：设置垃圾收集器为G1

（2）-XX:G1HeapRegionSize=n ：设置G1区域的大小。值是2的幂，范围是1M到32M。目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域

（3）-XX:MaxGCPauseMillis=n ：最大停顿时间，这是个软目标，JVM将尽可能（但不保证）停顿时间小于这个时间

（4）-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n  ：堆占用了多少的时候就触发GC，默认是45

（5）-XX:ConcGCThreads=n ：并发GC使用的线程数

（6）-XX:G1ReservePercent=n ：设置作为空闲空间的预留内存百分比，以降低目标空间溢出的风险，默认值是10%

1.7、G1 vs CMS

（1）G1不会产生内存碎片；

（2）G1可以精确控制停顿时间。G1收集器是把整个堆（新生代、养老代）划分成多个固定大小的区域，每次根据允许停顿的时间去收集垃圾最多的区域；

1.8、小总结