G1 (Garbage-First) 是Java平台中的一种高级垃圾收集器，专为大型内存环境和对响应时间敏感的应用设计。G1 GC引入了许多创新特性，旨在提供可预测的停顿时间（pause time）、高吞吐量以及更好的整体性能。以下是G1 GC的关键特性和工作原理：
关键特性
- 并行与并发： G1 GC结合了并行和并发垃圾回收技术。在进行垃圾回收时，它使用多个线程并行处理，同时部分回收过程（如标记）与应用程序线程并发执行，以减少停顿时间。
- 分代与区域化： G1打破了传统的年轻代和老年代划分，将整个堆划分为大小相等的固定大小区域（Regions）。每个区域可以充当年轻代或老年代的一部分，根据对象的实际年龄动态调整角色。这种设计允许G1更加灵活、精细地管理内存。
- 停顿时间目标（Pause Time Target）： G1允许用户指定最大停顿时间目标（例如，通过
-XX:MaxGCPauseMillis=<N>设置），垃圾收集器会尽力在这个目标范围内完成回收工作。这使得G1非常适合对响应时间有严格要求的服务。 - 垃圾优先（Garbage-First）： G1在回收过程中优先处理包含最多可回收垃圾的区域，即所谓的“垃圾最多”（Garbage-First）策略。这样可以更有效地利用回收时间，尽快释放出大量可用内存。
- 记忆集（Remembered Sets）： G1使用记忆集来跟踪跨区域引用，避免全局扫描。记忆集记录了哪些区域的对象引用了其他区域的对象，使得在并发标记阶段能够快速定位到跨区域引用。
工作流程
G1 GC的垃圾回收过程主要包括以下几个阶段：
- 初始标记（Initial Marking）： 一个非常快速的STW阶段，仅标记出根集合直接可达的对象。
- 并发标记（Concurrent Marking）： 在此阶段，G1 GC与应用程序线程并发执行，递归遍历整个对象图，标记出所有可达对象。同时，维护记忆集以跟踪跨区域引用。
- 最终标记（Final Marking）： 另一个短暂的STW阶段，处理在并发标记阶段因应用程序活动而新增或删除的引用。
- 清理（Cleanup）： 一个短暂停顿，清理工作集统计信息，准备下一次垃圾回收。
- 混合回收（Mixed Collection）： G1 GC在每个回收周期内都会进行混合回收，同时回收年轻代和部分老年代。它会选择垃圾最多的区域进行回收，并将存活对象拷贝到新的区域。这个过程包括：
- 年轻代回收（Young GC）：类似于传统的Minor GC，回收Eden和Survivor区。
- 老年代回收（Old GC）：并发标记阶段确定哪些老年代区域包含大量垃圾，然后在STW阶段回收这些区域。
命令行选项
启用G1 GC，需在JVM启动时添加以下命令行选项：
Bash
1-XX:+UseG1GC
设置最大停顿时间目标（例如，设置为200毫秒）：
Bash
1-XX:MaxGCPauseMillis=200
适用场景
G1 GC适用于以下场景：
- 大内存应用：堆内存超过4GB，甚至达到几十GB乃至上百GB。
- 对响应时间敏感：如实时服务、金融交易、Web服务等，需要可预测且较低的停顿时间。
- 期望自动调优：G1 GC具备一定的自我调优能力，能够根据应用行为动态调整回收策略。
对比其他收集器
相较于Parallel GC，G1 GC提供了更细粒度的内存管理、更灵活的停顿时间控制以及对大内存环境更好的适应性。相比低延迟收集器如ZGC、Shenandoah，G1 GC在某些场景下停顿时间可能略长，但其在JDK早期版本中就已经成熟且广泛支持，兼容性更好。
总结来说，G1 GC是针对大型内存环境和对响应时间敏感应用设计的高级垃圾收集器，通过创新的区域化、垃圾优先策略以及可预测的停顿时间控制，为现代Java应用提供了高效、灵活的内存管理解决方案。在实际使用中，应根据应用特点、硬件配置和性能监控结果选择和调整垃圾收集策略。
