G1（Garbage-First）是JVM中一款兼顾吞吐量与延迟的垃圾收集器，由Oracle在Java 7中引入（Java 9后成为默认GC），专为大堆内存（通常4GB以上）设计，核心目标是在可控的停顿时间内高效回收垃圾。
一、G1的核心原理
G1的设计围绕"Region化管理"和"优先级回收"展开，核心机制包括：
1. Region化内存布局
G1将堆内存划分为多个大小相等的独立Region （默认1MB~32MB，需为2的幂，可通过-XX:G1HeapRegionSize调整），每个Region可动态标记为以下类型：
- Eden Region：存放新创建的对象（年轻代）；
- Survivor Region：存放经历一次GC后存活的年轻代对象；
- Old Region：存放老年代对象（存活时间较长的对象）；
- Humongous Region：存放大对象（大小超过Region的50%），由连续的Region组成（避免大对象跨Region存储）。
这种布局打破了传统GC"年轻代、老年代物理隔离"的限制，通过Region动态角色切换实现灵活回收。
2. Mixed GC（混合回收）
G1的核心创新是"优先回收垃圾最多的Region"（Garbage-First的由来），其GC过程分为两种：
- Young GC：仅回收Eden和Survivor Region，类似其他分代GC的年轻代回收，会导致短暂停顿；
- Mixed GC ：不仅回收年轻代Region，还会选择部分老年代Region（垃圾占比高的）一起回收，通过这种"混合回收"逐步清理老年代，避免传统Full GC的长时间停顿。
3. Remembered Set（记忆集）
为解决跨Region引用的追踪问题（如Old Region引用Eden Region的对象），G1为每个Region维护一个Remembered Set（RS）：
- 当一个Region中的对象引用另一个Region的对象时，会在目标Region的RS中记录这个引用关系；
- GC时，通过扫描RS即可快速定位跨Region的存活对象，避免全堆扫描，减少开销。
4. 停顿预测模型（Pause Prediction Model）
G1允许用户设置目标最大停顿时间 （如-XX:MaxGCPauseMillis=200，默认200ms），内部通过历史GC数据预测：
- 哪些Region垃圾最多、回收成本最低（耗时短但回收内存多）；
- 动态调整本次GC回收的Region数量，确保实际停顿时间接近目标值。
5. GC过程（简化版）
G1的完整GC流程包括：
- 初始标记（Initial Mark）：标记根对象（如线程栈、静态变量），伴随短暂停顿（通常<10ms）；
- 并发标记（Concurrent Mark）：从根对象出发，遍历并标记所有存活对象（与应用线程并行，无停顿）；
- 最终标记（Final Mark）：处理并发标记期间遗漏的引用（如线程本地缓存中的对象），停顿时间较短；
- 筛选回收（Live Data Counting & Evacuation）：根据停顿目标，选择垃圾占比高的Region，将存活对象复制到新Region（消除碎片），伴随停顿（时间由目标停顿时间控制）。
二、G1的使用方法
启用G1需满足JDK 7及以上版本，核心JVM参数如下：
bash
# 启用G1垃圾收集器
-XX:+UseG1GC
# 设置最大堆内存（G1适合4GB以上大堆）
-Xmx16g
# 设置目标最大停顿时间（毫秒，G1会尽量接近该值）
-XX:MaxGCPauseMillis=100 # 示例：目标停顿不超过100ms
# 其他常用参数
-XX:G1HeapRegionSize=4m # 每个Region的大小（1M~32M，需为2的幂）
-XX:G1NewSizePercent=5 # 年轻代最小占比（默认5%）
-XX:G1MaxNewSizePercent=60 # 年轻代最大占比（默认60%）
-XX:G1ReservePercent=10 # 预留内存占比（防止晋升失败，默认10%）三、G1的优势
- 兼顾延迟与吞吐量：通过Mixed GC和停顿预测模型，既能控制单次GC停顿时间（通常<200ms），又能保证较高的吞吐量（优于CMS，接近ParallelGC），适合需要平衡两者的场景。
- 适合大堆内存：Region化管理使G1能高效处理大堆（4GB~数百GB），避免传统GC在大堆下的长停顿。
- 减少内存碎片：筛选回收阶段通过复制存活对象到新Region，自动整理内存，长期运行碎片率低（优于CMS）。
- 动态适应性强：无需手动划分年轻代/老年代大小，G1会根据应用特性自动调整各Region比例，降低调优门槛。
四、G1的劣势
- 内存开销较高：Remembered Set需占用额外内存（通常为堆大小的5%~10%），且维护RS的写屏障操作会消耗CPU资源。
- 小堆场景性能一般：在小堆（<4GB）下，G1的Region管理和RS维护开销占比过高，性能可能不如ParallelGC或SerialGC。
- 调优复杂度：虽然默认参数适用多数场景，但极端情况下（如大对象频繁分配、停顿时间不达标）需调整多个参数（如Region大小、年轻代比例），调优难度高于ParallelGC。
- 仍可能触发Full GC：若Mixed GC回收速度赶不上对象晋升速度（如大量对象快速进入老年代），G1会触发Full GC（单线程标记-清除-整理），导致长时间停顿（秒级）。
五、适用场景
- 推荐场景：中等至大型堆内存（4GB以上）、需要平衡延迟与吞吐量的应用（如企业级Web服务、电商系统、CRM系统）。
- 不推荐场景：小堆内存（<4GB）、对吞吐量要求极高而延迟不敏感的批处理任务（此时ParallelGC更优）、超大堆（>100GB且延迟要求亚毫秒级，此时ZGC更合适）。
总结
G1是一款"平衡型"垃圾收集器，通过Region化管理和优先级回收，在大堆场景下实现了延迟与吞吐量的有效折中，是Java 9+的默认选择。但需注意其内存开销和小堆场景的局限性，实际使用中需结合堆大小、业务延迟需求进行参数调优。