G1垃圾收集器是如何工作的？

目录

[一、G1 的核心设计基础](#一、G1 的核心设计基础)

[1. 堆内存的 Region 化划分（逻辑分区，动态标记）](#1. 堆内存的 Region 化划分（逻辑分区，动态标记）)

[2. 垃圾优先回收策略（核心设计目标）](#2. 垃圾优先回收策略（核心设计目标）)

[3. 核心回收算法（无内存碎片，兼顾效率）](#3. 核心回收算法（无内存碎片，兼顾效率）)

[4. 前置概念：GC Roots 与跨代引用管理](#4. 前置概念：GC Roots 与跨代引用管理)

[二、G1 的完整工作流程（三类 GC，分层执行）](#二、G1 的完整工作流程（三类 GC，分层执行）)

[流程 1：Young GC（新生代回收）------ 高频、短停顿、纯 STW](#流程 1：Young GC（新生代回收）—— 高频、短停顿、纯 STW)

[1. 触发条件](#1. 触发条件)

[2. 完整执行步骤（多线程并行，全程 STW，毫秒级）](#2. 完整执行步骤（多线程并行，全程 STW，毫秒级）)

[3. 关键特点](#3. 关键特点)

[流程 2：Mixed GC（混合回收）------ 核心流程、可预测停顿、部分并发 + 部分 STW](#流程 2：Mixed GC（混合回收）—— 核心流程、可预测停顿、部分并发 + 部分 STW)

[1. 触发条件](#1. 触发条件)

[2. 完整执行步骤（4 个阶段：2 个 STW+2 个并发，停顿可控）](#2. 完整执行步骤（4 个阶段：2 个 STW+2 个并发，停顿可控）)

[阶段 1：初始标记（Initial Mark）------ STW，极短（复用 Young GC 的 STW）](#阶段 1：初始标记（Initial Mark）—— STW，极短（复用 Young GC 的 STW）)

[阶段 2：并发标记（Concurrent Mark）------ 纯并发，不 STW，耗时最长](#阶段 2：并发标记（Concurrent Mark）—— 纯并发，不 STW，耗时最长)

[阶段 3：最终标记（Final Mark）------ STW，短时间](#阶段 3：最终标记（Final Mark）—— STW，短时间)

[阶段 4：筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）------ STW，核心优化，停顿可预测](#阶段 4：筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）—— STW，核心优化，停顿可预测)

[3. 关键特点](#3. 关键特点)

[流程 3：Full GC（兜底回收）------ 极少触发、长时间 STW、需彻底避免](#流程 3：Full GC（兜底回收）—— 极少触发、长时间 STW、需彻底避免)

[1. 触发条件](#1. 触发条件)

[2. 执行逻辑](#2. 执行逻辑)

[3. 关键特点](#3. 关键特点)

[三、G1 的核心工作联动逻辑](#三、G1 的核心工作联动逻辑)

[四、G1 的核心优化机制（对比 CMS，全维度升级）](#四、G1 的核心优化机制（对比 CMS，全维度升级）)

[五、G1 核心配置参数](#五、G1 核心配置参数)

六、核心总结

核心记忆点

G1（Garbage-First）是 JDK9 + 默认的整堆低延迟垃圾收集器 ，核心设计目标是在大内存场景下实现可预测的 GC 停顿时间 ，同时兼顾吞吐量。它打破了传统 GC「新生代 + 老年代物理划分」的模式，采用Region 化整堆管理 ，结合并发标记、复制回收、垃圾优先筛选三大核心技术，自身实现新生代 + 老年代的全堆回收，彻底解决了 CMS 的内存碎片、并发失败等问题。

G1 的工作核心围绕Region 内存管理 + 三类分层 GC 流程（Young GC/Mixed GC/Full GC）展开，其中 Mixed GC是 G1 的设计精髓，也是实现停顿可预测的关键；Full GC 为兜底场景，生产中几乎不会触发。

一、G1 的核心设计基础

G1 的所有工作流程都基于Region 化堆内存管理 和垃圾优先回收策略，这是它与经典 GC（CMS/Parallel）最本质的区别，也是理解其工作原理的前提。

1. 堆内存的 Region 化划分（逻辑分区，动态标记）

G1 将整个 Java 堆划分为多个大小相等的独立内存块（Region），替代了传统 GC 的新生代、老年代物理分区，核心特点：

• Region 大小统一 ：默认 1MB~32MB（2 的幂次），JVM 会根据堆总大小自适应调整 （如堆 16G 则 Region 为 4M/8M），可通过-XX:G1HeapRegionSize手动指定；

• 类型动态标记 ：每个 Region 无固定的代别，可动态标记 为不同类型，运行中可相互转换，核心类型包括：

  Region 类型	核心作用	对应传统区域
  Eden	存储新创建的普通对象	新生代 Eden 区
  Survivor	存储 Young GC 后的存活对象	新生代 Survivor 区
  Old	存储新生代晋升的长命对象、大对象	老年代
  Humongous	存储超大对象（超过 Region 大小 50%），由连续多个 Region 组成	老年代大对象区
  Free	空闲 Region，用于分配新对象或复制存活对象	无

• 逻辑分代 ：G1 通过 Region 类型标记实现逻辑上的新生代 / 老年代，而非物理隔离，新生代由所有 Eden+Survivor Region 组成，老年代由所有 Old+Humongous Region 组成，占比可动态调整（新生代 5%~60%）。

2. 垃圾优先回收策略（核心设计目标）

G1 的「Garbage-First」体现在优先回收垃圾比例最高的 Region，核心逻辑：

1. 每次回收前，G1 会统计每个 Region 的垃圾比例（垃圾占比 = 1 - 存活对象占比）；
2. 按垃圾比例从高到低为 Region 排序，形成回收候选列表；
3. 结合用户指定的最大停顿时间 （-XX:MaxGCPauseMillis，默认 200ms），计算可回收的 Region 数量（垃圾比例越高，回收效率越高，优先选择）；
4. 仅回收筛选后的 Region，保证总 GC 停顿时间不超过阈值。

这一策略让 G1 在有限的 STW 时间内释放最多的内存 ，实现了停顿时间的可预测性，也是 G1 适配大内存（8G~64G）的关键。

3. 核心回收算法（无内存碎片，兼顾效率）

G1 全程采用复制算法完成垃圾回收，替代了 CMS 的标记 - 清除算法，核心特点：

• 回收时，将待回收 Region 中的存活对象 复制到空闲的 Free Region；
• 复制完成后，清空原 Region 并标记为 Free，用于后续对象分配；
• 最终存活对象会被集中存储在连续的 Region 中 ，无任何内存碎片，彻底解决了 CMS 的大对象分配失败问题。

4. 前置概念：GC Roots 与跨代引用管理

G1 通过 **SATB（Snapshot-At-The-Beginning，开始快照）机制管理跨代引用（如老年代对象引用新生代对象），配合卡表（Card Table）** 记录引用变动，避免全堆扫描，大幅降低 GC 开销，这一机制会在并发标记阶段核心使用。

二、G1 的完整工作流程（三类 GC，分层执行）

G1 的 GC 流程分为Young GC（新生代回收） 、Mixed GC（混合回收） 、Full GC（兜底回收）三类，三者为分层执行关系：

• Young GC：高频基础流程，仅回收新生代 Region，毫秒级 STW，是 G1 最常触发的 GC；
• Mixed GC ：核心流程，替代传统 Major GC/Full GC，同时回收新生代所有 Region + 部分老年代 Region，部分并发 + 部分 STW，停顿时间可控；
• Full GC：兜底异常流程，仅在 Mixed GC 无法释放足够内存时触发，单线程 STW，生产中需彻底避免。

流程 1：Young GC（新生代回收）------ 高频、短停顿、纯 STW

G1 的 Young GC 与经典新生代 GC（ParNew）核心逻辑一致，仅回收所有 Eden Region + 非空 Survivor Region，基于 Region 粒度采用复制算法，是 G1 最常触发的 GC（每秒数次）。

1. 触发条件

Eden Region 内存不足，无法为新创建的普通对象分配内存（与传统 Young GC 触发条件完全一致，是程序运行的自然结果）。

2. 完整执行步骤（多线程并行，全程 STW，毫秒级）

G1 的 Young GC 为纯 STW 操作，但多线程并行执行，停顿时间极短，步骤如下：

1. 暂停所有用户线程（STW）：触发 Young GC 时，立即暂停所有业务线程，避免引用关系变动；
2. 标记新生代 GC Roots ：遍历虚拟机栈、本地方法栈等，标记新生代的 GC Roots ，同时通过卡表 标记老年代指向新生代的跨代引用（这是新生代存活对象的 "入口"）；
3. 复制存活对象 ：采用复制算法，将所有 Eden Region + 非空 Survivor Region 中的存活对象，复制到空闲的 Free Region ：
   • 年龄未达晋升阈值的对象 → 复制到新的 Survivor Region；
   • 年龄达阈值（默认 15，-XX:MaxTenuringThreshold）的对象 → 复制到Old Region；
4. 重置 Region 状态 ：清空原 Eden/Survivor Region，将其标记为Free Region，用于后续新对象分配；
5. 恢复用户线程：完成所有操作后，恢复业务线程，Young GC 结束。

3. 关键特点

• 触发频率极高（程序运行中持续触发），但 STW 时间毫秒级（通常＜50ms），对业务几乎无感知；
• 回收后无内存碎片，新生代 Region 规整，为后续对象分配提供连续空间；
• 无需并发执行，纯 STW 即可保证效率，因为新生代对象 "朝生夕死"，存活比例极低，复制开销极小。

流程 2：Mixed GC（混合回收）------ 核心流程、可预测停顿、部分并发 + 部分 STW

Mixed GC 是 G1 的设计精髓 ，也是替代传统 CMS 老年代回收 + Full GC 的核心流程，同时回收新生代所有 Region + 部分老年代 Region ，是 G1 唯一会执行并发标记的 GC 流程。

Mixed GC 的核心是 **「并发标记（不 STW）+ 筛选回收（可控 STW）」**，既保证了低延迟，又能回收老年代的垃圾，是 G1 实现 "大内存 + 可预测停顿" 的关键。

1. 触发条件

老年代 Region 的整体使用率达到阈值 （默认 45%，-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent配置），即堆的整体内存使用率达标（G1 以整堆使用率判断，而非单独老年代）。

注意：Mixed GC不会主动触发 ，而是由 JVM 根据堆内存使用情况自动判断，触发频率远低于 Young GC（几分钟 / 几小时一次）。

2. 完整执行步骤（4 个阶段：2 个 STW+2 个并发，停顿可控）

Mixed GC 分为初始标记、并发标记、最终标记、筛选回收 4 个阶段，其中2 个阶段纯并发（不 STW） ，2 个阶段短 STW ，且 STW 时间严格控制在MaxGCPauseMillis范围内。

阶段 1：初始标记（Initial Mark）------ STW，极短（复用 Young GC 的 STW）

• 核心作用 ：标记整堆的 GC Roots 直接关联对象（包括新生代 + 老年代），同时标记老年代指向新生代的跨代引用；
• 触发优化 ：此阶段无需单独触发 STW ，而是复用一次 Young GC 的 STW 时间完成（G1 的重要优化，减少额外停顿）；
• 执行结果：得到整堆存活对象的 "根集"，为后续并发标记做基础，STW 时间＜10ms。

阶段 2：并发标记（Concurrent Mark）------ 纯并发，不 STW，耗时最长

• 核心作用 ：从初始标记的根集对象出发，全量遍历整堆所有 Region 的引用链 ，标记所有存活对象，同时统计每个 Region 的垃圾比例；
• 执行逻辑 ：恢复用户线程，GC 线程与业务线程并行执行 ，完成两个核心工作：
  1. 遍历所有 Region（Eden/Survivor/Old/Humongous），为所有存活对象打上标记；
  2. 统计每个 Region 的存活对象占比 ，计算垃圾比例，并按垃圾比例从高到低排序，生成回收候选列表；
• 关键特点 ：
  1. 此阶段是 Mixed GC 耗时最长的阶段，但无任何 STW，对业务无影响；
  2. 会产生浮动垃圾（并发阶段用户线程新创建的对象，未被标记，需等到下一次 GC 回收），但 G1 对浮动垃圾无额外处理，不影响回收流程；
  3. 通过SATB 机制处理并发阶段的引用变动，保证标记的准确性。

阶段 3：最终标记（Final Mark）------ STW，短时间

• 核心作用 ：修正并发标记阶段的标记偏差 ，处理并发阶段因用户线程操作导致的引用变动记录；
• 执行逻辑 ：暂停所有用户线程，多线程并行处理SATB 队列 （存储并发阶段所有引用修改、对象新建的记录），补充标记未被遍历的存活对象，同时最终确认老年代 Region 的回收候选列表；
• 关键特点 ：仅处理变动记录，不做全量遍历，STW 时间毫秒级（通常＜50ms）。

阶段 4：筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）------ STW，核心优化，停顿可预测

这是 G1 实现 **「停顿时间可预测」的核心阶段，也是 Mixed GC 的最后一步，核心是"按需选择 Region，可控 STW 回收"**。

• 核心作用：根据最大停顿时间，筛选待回收的 Region，采用复制算法完成新生代 + 部分老年代的回收；
• 执行逻辑 （全程 STW，多线程并行）：
  1. 筛选 Region ：结合-XX:MaxGCPauseMillis设置的最大停顿时间，从回收候选列表 中选择垃圾比例最高的老年代 Region ，同时加入所有新生代 Region，计算总回收耗时，保证不超过阈值；
  2. 复制存活对象 ：将所有待回收 Region（新生代 + 筛选后的老年代）中的存活对象，复制到空闲的 Free Region，按对象年龄标记为新的 Survivor/Old Region；
  3. 重置 Region 状态：清空所有待回收 Region，将其标记为 Free Region，用于后续对象分配；
• 关键特点 ：
  1. 仅回收筛选后的部分老年代 Region，而非全量老年代，严格控制 STW 时间；
  2. 全程采用复制算法，无内存碎片，回收后堆内存规整；
  3. 一次 Mixed GC 后，若老年代使用率仍高，JVM 会连续触发多次 Mixed GC，逐步回收老年代垃圾，直到使用率降至阈值以下。

3. 关键特点

• Mixed GC 是 G1唯一会回收老年代的 GC 流程，替代了传统的 Major GC/Full GC；
• 整体流程 **"2 个短 STW+2 个纯并发"**，STW 总时间严格控制在用户指定的阈值内；
• 回收效率高，优先回收垃圾比例高的 Region，在有限时间内释放最多内存。

流程 3：Full GC（兜底回收）------ 极少触发、长时间 STW、需彻底避免

G1 的 Full GC 是异常兜底场景 ，仅在 Mixed GC 无法释放足够内存时触发，生产环境中若频繁触发 Full GC，说明堆配置或 G1 调参存在严重问题。

1. 触发条件

1. Mixed GC 筛选回收后，空闲 Region 仍不足，无法分配新对象 / 晋升对象；
2. 超大对象无法找到连续的 Humongous Region；
3. 显式调用System.gc()（可通过-XX:+DisableExplicitGC禁用）；
4. G1 并发标记阶段出现异常，导致标记失败。

2. 执行逻辑

G1 的 Full GC 采用单线程标记 - 整理算法，全程 STW，执行效率极低，步骤如下：

1. 暂停所有用户线程，全量遍历整堆，标记所有存活对象；
2. 单线程将所有存活对象向内存一端移动整理，使空闲内存连续；
3. 清空无用对象的内存，恢复用户线程。

3. 关键特点

• STW 时间秒级甚至十几秒，对业务影响极大，是生产环境的 "性能杀手"；
• G1 会尽最大努力避免触发 Full GC，正常配置下，生产环境中几乎不会出现。

三、G1 的核心工作联动逻辑

G1 的三类 GC 流程并非孤立执行，而是根据堆内存使用情况动态联动，形成完整的整堆 GC 生命周期，典型执行流程如下：

1. 程序启动→新对象分配到Eden Region →Eden Region 满→触发 Young GC（STW，复制回收新生代，清空 Eden）；
2. 多次 Young GC 后→存活对象在 Survivor Region 间复制，年龄达阈值后晋升到 Old Region→老年代 Region 使用率逐步升高；
3. 老年代 Region 使用率达阈值（默认 45%）→触发 Mixed GC（初始标记→并发标记→最终标记→筛选回收），同时回收新生代 + 部分老年代；
4. 若一次 Mixed GC 后老年代使用率仍高→连续触发多次 Mixed GC，逐步回收老年代垃圾，直到使用率降至阈值以下；
5. 程序继续运行，重复步骤 1-4，形成循环；
6. 异常场景下（如堆内存不足、大对象分配失败）→触发 Full GC（兜底，长时间 STW）。

四、G1 的核心优化机制（对比 CMS，全维度升级）

G1 的工作原理中融入了多项核心优化，彻底解决了 CMS 的所有缺陷，也是其成为 JDK9 + 默认收集器的关键，核心优化点如下：

优化点	G1 实现方式	CMS 缺陷
无内存碎片	全程采用复制算法，存活对象集中存储在连续 Region	标记 - 清除算法，产生大量内存碎片，导致大对象分配失败
停顿时间可预测	筛选回收阶段按需选择 Region，严格控制 STW 时间	无整体停顿时间控制，STW 时间随堆内存增大而增加
无并发模式失败	Region 化管理，按需回收老年代，避免老年代内存被快速占满	并发阶段老年代内存不足，触发 Concurrent Mode Failure，切换为 Serial Old Full GC
整堆统一管理	自身实现新生代 + 老年代回收，无需搭配其他收集器	仅负责老年代，需搭配 ParNew 做新生代回收，逻辑复杂
跨代引用优化	SATB 机制 + 卡表，仅处理引用变动记录，避免全堆扫描	重新标记阶段全量扫描，开销随堆内存增大而增加
超大对象优化	单独的 Humongous Region 存储，连续分配，避免碎片化影响	无专门大对象区，大对象易因碎片无法分配

五、G1 核心配置参数

G1 的工作行为可通过 JVM 参数精准控制，核心参数均为 JDK8 + 可用，生产环境中优先使用默认值，仅在出现性能问题时针对性调参：

# 核心开启参数
-XX:+UseG1GC  # 开启G1收集器（JDK9+默认，JDK8需手动开启）

# 停顿时间控制（核心调参项）
-XX:MaxGCPauseMillis=200  # 设置GC最大停顿时间，默认200ms，根据业务需求调整（如低延迟场景设为100ms）

# Region大小配置
-XX:G1HeapRegionSize=4M  # 指定Region大小（1M~32M，2的幂次），默认自适应，大内存场景可适当调大

# 老年代回收触发阈值
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45  # 老年代使用率达45%时触发Mixed GC，默认45%，堆内存不足时可适当调低

# 新生代占比控制
-XX:G1NewSizePercent=5  # 新生代Region最小占比，默认5%
-XX:G1MaxNewSizePercent=60  # 新生代Region最大占比，默认60%

# 禁用显式Full GC
-XX:+DisableExplicitGC  # 禁止通过System.gc()显式触发Full GC，默认关闭

# GC线程数配置
-XX:ParallelGCThreads=8  # STW阶段的并行GC线程数，默认等于CPU核心数
-XX:ConcGCThreads=4  # 并发阶段的GC线程数，默认是ParallelGCThreads的1/4

六、核心总结

G1 通过Region 化整堆管理 将堆划分为大小相等的内存块，基于垃圾优先策略 按垃圾比例排序 Region，通过三类分层 GC 流程 实现全堆回收：Young GC 高频短停顿回收新生代 ，Mixed GC（核心）通过 "并发标记 + 可控筛选回收" 同时回收新生代 + 部分老年代，保证停顿时间可预测 ，Full GC 仅作为异常兜底 ；全程采用复制算法 实现无内存碎片回收，结合SATB 机制 优化跨代引用，彻底解决了经典 GC 的缺陷，是 JDK8 + 生产环境大内存、低延迟场景的首选收集器。

核心记忆点

1. G1 的核心是 **「Region 化 + 垃圾优先 + 可预测停顿」**；
2. Mixed GC 是 G1 唯一回收老年代的流程，也是实现低延迟的关键；
3. G1 全程复制算法，无内存碎片，是对比 CMS 最核心的优势；
4. G1 的 STW 时间由-XX:MaxGCPauseMillis精准控制，适配绝大多数低延迟业务场景。