G1垃圾回收流程详解

前言

在研究垃圾回收的机制的时候，发现之前学习的G1的垃圾回收的过程有些浅，今天来带大家深入了解一下G1垃圾回收机制！

一、基于Region的分区模型

在传统分区中，是讲堆内存整体划分为年轻代与老年代

传统堆布局（CMS/Parallel GC）：

┌──────────────────────────────────────┐

│ 新生代 │ 老年代 |

│ ┌─────┬─────┐ │ ┌──────────────┐ |

│ │Eden │S0/S1. │ │ │ | 连续内存 │ │

│ └─────┴─────┘ │ └──────────────┘ │

└──────────────────────────────────────┘

问题：老年代必须整体回收 → 停顿时间不可控

G1 的解决方案：逻辑分代 + 物理分区

G1 堆布局（统一管理）：
┌──────────────────────────────────────┐
│ Region 0 │ Region 1 │ Region 2 │ ← Eden
├────────────┼────────────┼────────────┤
│ Region 3 │ Region 4 │ Region 5 │ ← Survivor
├────────────┼────────────┼────────────┤
│ Region 6 │ Region 7 │ Region 8 │ ← Old
├────────────┼────────────┼────────────┤
│ Region 9 │ Region 10 │ Region 11 │ ← Humongous（大对象）
└──────────────────────────────────────┘

• Region ：固定大小的内存块（默认 1~32MB，-XX:G1HeapRegionSize 控制）
• 逻辑分代 ：Region 按角色动态分配（Eden/Survivor/Old），不连续
• 关键优势 ：可选择性回收部分 Region，实现停顿时间可控

二、核心概念

在深入流程之前，必须先理解 G1 引入的几个特有概念。

1. Region（区域）

传统的 GC（如 Parallel 或 CMS）将堆物理隔断为固定的年轻代和老年代。G1 彻底打破了这一限制。

• 它将堆内存划分为约 2048 个大小相等的独立 Region（大小在 1MB 到 32MB 之间，且为 2 的幂）。

• 每个 Region 在逻辑上可以扮演 Eden、Survivor、Old 或 Humongous（巨型对象区）的角色。

• 这种分而治之的策略是 G1 能够进行"增量回收"的基础。

2. Remembered Set (RSet) ------ 核心中的核心

解决的问题： 如何在回收年轻代时，不扫描整个老年代来寻找跨代引用？

• 定义： 每个 Region 都有一个对应的 RSet。它记录了"谁引用了我这个 Region 中的对象"。

• 本质： 是一种辅助 GC 的数据结构，存储的是从其他 Region 指向本 Region 的指针。

• 意义： 在进行年轻代回收（Young GC）时，只需要扫描 Eden 区和对应 Region 的 RSet，就能准确找到存活对象，避免了全堆扫描。

3. Card Table (卡表)

RSet 的底层实现依赖于卡表。堆空间被划分为一个个 512 Byte 的 Card。如果一个 Card 中的对象发生了引用变化，它会被标记为 "Dirty"（脏卡）。RSet 实际上记录的就是这些脏卡的位置。

每个Region由一个个Card组成，如果Card的引用关系发生变化，就会标记成脏卡，放入脏卡队列等待处理。

4. Collection Set (CSet)

• 定义： 在一次 GC 循环中，被选定要回收的 Region 集合。

• 特性： Young GC 时，CSet 只包含年轻代 Region；Mixed GC 时，CSet 包含全部年轻代 Region 和部分回收价值最高的策略选出的老年代 Region。

5. SATB (Snapshot-At-The-Beginning)

其实就是原始快照，在上一篇博客我有讲

三色标记法与增量更新、原始标记

解决的问题： 并发标记阶段，用户线程修改了引用关系，导致漏标。

• G1 通过 写前屏障（Write Barrier） 实现 SATB。

• 在对象引用发生改变时，G1 会记录下旧的引用关系。它假设在 GC 开始那一刻存活的对象都是存活的，虽然这可能产生"浮动垃圾"，但它极大地提高了并发标记的效率。

三、G1工作流程

G1 的运作过程主要分为三个阶段：Young GC 、并发标记周期（Concurrent Marking Cycle） 和 Mixed GC。

3.1 Young GC（年轻代回收）

• 阶段一：根扫描 (Root Scanning)

  • 扫描静态变量、本地方法栈等常规GC Roots。

• 阶段二：更新 RSet (Update RSet)

  • 关键点： 处理"脏卡队列（Dirty Card Queue）"。

  • 在 Young GC 开始前，可能还有一些引用关系变化存在队列里没处理完。GC 线程会强制处理这些卡片，确保各个 Region 的 RSet 是最新、最准确的。

• 阶段三：扫描 RSet (Scan RSet)

  • 核心逻辑： 查找从老年代指向年轻代的引用。

  • GC 线程查看年轻代 Region 的 RSet，通过 RSet 找到老年代中哪些对象正指着自己。这些老年代对象被当作"外部根"加入扫描范围。

  • 意义： 这样就不需要扫描整个老年代，只需扫描 RSet 记录的特定 Card。

• 阶段四：对象拷贝 (Evacuation/Object Copy)

  • 根据前两步找到的存活对象，使用复制算法，将存活对象拷贝到新的 Survivor Region 或者晋升到 Old Region。

  • G1 会记录每个 Region 的回收耗时，用于以后估算停顿时间。

• 阶段五：处理引用 (Reference Processing)

  • 处理软引用、弱引用、虚引用等。

3.2 并发标记周期 (Concurrent Marking Cycle)

触发时机： 当整个堆的内存占用达到阈值（默认 InitiatingHeapOccupancyPercent=45%）时触发。它不是为了立刻回收内存，而是为了给 Mixed GC 做"情报收集"。

实际上就是一次三色标记，但是并没有完全进行垃圾回收。

1. 初始标记 (Initial Mark) ------ 【STW】

   • 动作： 标记从 GC Roots 直接可达的对象。

   • 优化： 这个阶段通常"搭便车"在一次 Young GC 中完成，所以它的额外开销非常小。它会标记出每个 Region 的 Next TAMS（Top-at-Mark-Start），指明哪些对象是本次标记开始后新分配的。

2. 根区域扫描 (Root Region Scanning) ------ 【并发】

   • 动作： 扫描刚才 Young GC 存活下来的 Survivor 区。

   • 原因： Survivor 区的对象可能引用了老年代。必须在下一次 Young GC 开始前完成，因为下一次 Young GC 会改变 Survivor 区。Survivor 区里的对象是绝对"存活"的。如果一个 Survivor 对象指向了老年代的某个对象，那么那个老年代对象也必须被标记为"存活"。

3. 并发标记 (Concurrent Marking) ------ 【并发】

   • 动作： 从 GC Roots 开始对堆中对象进行可达性分析，递归遍历。

   • 关键技术：SATB (Snapshot-At-The-Beginning)。

     • 如果此时用户程序改了引用（如 A.f = B 改为 A.f = C），写屏障会把旧的引用 B 记录下来。G1 认为"开始标记时活的对象，我都认为它是活的"，防止漏标。

4. 最终标记 (Remark) ------ 【STW】

   • 动作： 修正并发标记期间因用户程序运行而产生的引用变化。

   • 处理： 此时会处理 SATB 记录的队列，确保所有存活对象都被标记。

5. 筛选清理 (Cleanup) ------ 【部分 STW】

   • 动作： 统计每个 Region 的回收价值（存活对象比例）。

   • 直接回收： 如果发现某个 Region 全是垃圾（存活率为 0），会直接在这个阶段清空该 Region。

   • 计算： 根据用户的停顿目标，对老年代 Region 的回收价值进行排序，生成一个 CSet (Collection Set)。

四、Mixed GC

触发时机： 并发标记结束后，如果老年代的垃圾占比超过一定程度，G1 就会进入 Mixed GC 阶段。

为什么叫"混合"？ 因为它在一次回收中同时处理：

1. 所有的年轻代 Region。

2. 部分老年代 Region（根据并发标记阶段选出的垃圾最多、回收收益最高的那些）。

Mixed GC 的执行过程与 Young GC 极其相似，你可以理解为它是"带了老年代 Region 的 Young GC"：

1. 多次增量回收：

   • G1 不会一次性把所有老年代 Region 都回收到位。为了控制停顿时间 （MaxGCPauseMillis），G1 会将选定的老年代 Region 分成好几批（默认 8 次左右，由 -XX:G1MixedGCCountTarget 控制）。

   • 每批 Mixed GC 都会回收全部年轻代 + 1/8 的选定老年代。

2. 复制算法 (Evacuation)：

   • 无论是年轻代还是老年代，存活对象都会被移动到空闲的 Region 中。

   • 好处： 移动后内存是连续的，完全消除了空间碎片问题（这是 CMS 做不到的）。

3. RSet 更新与维护：

   • 在 Mixed GC 中，RSet 的维护更加复杂，因为它不仅要记录"老指青"，还要记录"老指老"。

通过回收时间到我们设置的期望时间，就会采用回收那些回收价值高的OldRegion来进行

---

五、 总结：三者的逻辑链条

1. Young GC 负责清理年轻代。

2. 随着程序运行，老年代对象越来越多，达到 45% 阈值。

3. 触发 并发标记，G1 开启"上帝视角"俯瞰全堆，找出哪些老年代 Region 垃圾多，哪些少。

4. 进入 Mixed GC 阶段，分批次地回收年轻代和那些"垃圾多"的老年代 Region。

5. 如果以上三个过程都搞不定 （比如垃圾产生速度太快），G1 会被迫触发 Full GC（单线程或并行全堆整理），这是 G1 要极力避免的噩梦。