垃圾优先型垃圾回收器 (G1 GC) 是适用于 Java HotSpot VM 的低暂停、服务器风格的分代式垃圾回收器。G1 GC 使用并发和并行阶段实现其目标暂停时间，并保持良好的吞吐量。当 G1 GC 确定有必要进行垃圾回收时，它会先收集存活数据最少的区域（垃圾优先）。

垃圾回收器 (GC) 是一个内存管理工具。G1 GC 通过以下操作实现自动内存管理：

• 将对象分配给年轻代，并将老化对象晋升到老年代。

• 通过并发（并行）标记阶段，查找老年代中的存活对象。当总的 Java 堆占用率超过默认的阈值时，Java HotSpot VM 将触发标记阶段。

• 通过并行复制压缩存活对象，恢复空闲内存。

现在，我们来看看如何针对评估、分析和性能来调整和调优 G1 GC。我们假定您对 Java 垃圾回收有基本的了解。

G1 GC 是区域化、分代式垃圾回收器，这意味着 Java 对象堆（堆）被划分成大小相同的若干区域。启动时，Java 虚拟机 (JVM) 会设置区域大小。区域大小从 1 MB 到 32 MB 不等，具体取决于堆大小。目标是产生不超过 2048 个区域。Eden、存活空间和老年代是一系列不连续的逻辑区域。

G1 GC 有一个力求达到的暂停时间目标（软实时）。在年轻代回收期间，G1 GC 会调整其年轻代空间（eden 和存活空间大小）以满足软实时目标。在混合回收期间，G1 GC 会根据混合垃圾回收的目标次数调整所回收的旧区域数量，并调整堆的每个区域中存活对象的百分比，以及总体可接受的堆废物百分比。

G1 GC 将一组或多组区域（称为回收集 (CSet)）中的存活对象以增量、并行的方式复制到不同的新区域来实现压缩，从而减少堆碎片。目标是从可回收空间最多的区域开始，尽可能回收更多的堆空间，同时尽可能不超出暂停时间目标（垃圾优先）。

G1 GC 使用独立的记忆集 (RSet) 跟踪对区域的引用。独立的 RSet 可以并行、独立地回收区域，因为只需要对区域（而不是整个堆）的 RSet 进行区域引用扫描。G1 GC 使用后写屏障记录堆的更改和更新 RSet。

垃圾回收阶段

除了构成停顿 (STW) 年轻代和混合垃圾回收的疏散暂停（如下所述），G1 GC 还具有并行、并发和多阶段标记周期。G1 GC 使用初始快照 (SATB) 算法，在标记周期之初为堆中的存活对象集创建快照。

存活对象集包括快照中的存活对象，以及标记周期开始以来所分配的对象。G1 GC 标记算法使用预写屏障记录和标记作为逻辑快照一部分的对象。

年轻代垃圾回收

G1 GC 可满足来自被添加到 eden 区域集的区域的大多数分配请求。在年轻代垃圾回收期间，G1 GC 会同时回收 eden 区域和上次垃圾回收的存活区域。

Eden 和存活区的存活对象将被复制或疏散到新的区域集。特定对象的目标区域取决于对象的年龄；足够老的对象疏散到老年代区域（也就晋级）；否则疏散到存活区，并将包含在下一次年轻代或混合垃圾回收的 CSet 中。

混合垃圾回收

成功完成并发标记周期后，G1 GC 从执行年轻代垃圾回收切换为执行混合垃圾回收。在混合垃圾回收期间，G1 GC 可以将一些旧的区域添加到 eden 和存活区供将来回收。所添加旧区域的确切数量由一系列标志控制。

G1 GC 回收了足够的旧区域后（经过多次混合垃圾回收），G1 将恢复执行年轻代垃圾回收，直到下一个标记周期完成。

标记周期的各个阶段

标记周期包括以下几个阶段：

• 初始标记阶段：在此阶段，G1 GC 对根进行标记。该阶段与常规的 (STW) 年轻代垃圾回收密切相关。

• 根区域扫描阶段：G1 GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次 STW 年轻代垃圾回收。

• 并发标记阶段：G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被 STW 年轻代垃圾回收中断。

• 重新标记阶段：该阶段是 STW 回收，帮助完成标记周期。G1 GC 清空 SATB 缓冲区，跟踪未被访问的存活对象，并执行引用处理。

• 清理阶段：在这个最后阶段，G1 GC 执行统计和 RSet 净化的 STW 操作。在统计期间，G1 GC 会识别完全空闲的区域和可供进行混合垃圾回收的区域。清理阶段在将空白区域重置并返回到空闲列表时为部分并发。

重要的默认值

G1 GC 是自适应的垃圾回收器，提供了若干默认设置，使其无需修改即可高效地工作。以下是重要选项及其默认值的列表。此列表适用于最新的 Java HotSpot VM build 24。您可以通过在 JVM 命令行输入下列选项和已更改的设置，根据您的应用程序性能需求调整和调优 G1 GC。

• -XX:G1HeapRegionSize=n

  设置的 G1 区域的大小。值是 2 的幂，范围是 1 MB 到 32 MB 之间。目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。

• -XX:MaxGCPauseMillis=200

  为所需的最长暂停时间设置目标值。默认值是 200 毫秒。指定的值不适用于您的堆大小。

• -XX:G1NewSizePercent=5

  设置要用作年轻代大小最小值的堆百分比。默认值是 Java 堆的 5%。这是一个实验性的标志。有关示例，请参见“如何解锁实验性虚拟机标志”。此设置取代了 -XX:DefaultMinNewGenPercent 设置。Java HotSpot VM build 23 中没有此设置。

• -XX:G1MaxNewSizePercent=60

  设置要用作年轻代大小最大值的堆大小百分比。默认值是 Java 堆的 60%。这是一个实验性的标志。有关示例，请参见“如何解锁实验性虚拟机标志”。此设置取代了 -XX:DefaultMaxNewGenPercent 设置。Java HotSpot VM build 23 中没有此设置。

• -XX:ParallelGCThreads=n

  设置 STW 工作线程数的值。将 n 的值设置为逻辑处理器的数量。n 的值与逻辑处理器的数量相同，最多为 8。

  如果逻辑处理器不止八个，则将 n 的值设置为逻辑处理器数的 5/8 左右。这适用于大多数情况，除非是较大的 SPARC 系统，其中 n 的值可以是逻辑处理器数的 5/16 左右。

• -XX:ConcGCThreads=n

  设置并行标记的线程数。将 n 设置为并行垃圾回收线程数 (ParallelGCThreads) 的 1/4 左右。

• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

  设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认占用率是整个 Java 堆的 45%。

• -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=65

  为混合垃圾回收周期中要包括的旧区域设置占用率阈值。默认占用率为 65%。这是一个实验性的标志。有关示例，请参见“如何解锁实验性虚拟机标志”。此设置取代了 -XX:G1OldCSetRegionLiveThresholdPercent 设置。Java HotSpot VM build 23 中没有此设置。

• -XX:G1HeapWastePercent=10

  设置您愿意浪费的堆百分比。如果可回收百分比小于堆废物百分比，Java HotSpot VM 不会启动混合垃圾回收周期。默认值是 10%。Java HotSpot VM build 23 中没有此设置。

• -XX:G1MixedGCCountTarget=8

  设置标记周期完成后，对存活数据上限为 G1MixedGCLIveThresholdPercent 的旧区域执行混合垃圾回收的目标次数。默认值是 8 次混合垃圾回收。混合回收的目标是要控制在此目标次数以内。Java HotSpot VM build 23 中没有此设置。

• -XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent=10

  设置混合垃圾回收期间要回收的最大旧区域数。默认值是 Java 堆的 10%。Java HotSpot VM build 23 中没有此设置。

• -XX:G1ReservePercent=10

  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%。增加或减少百分比时，请确保对总的 Java 堆调整相同的量。Java HotSpot VM build 23 中没有此设置。

如何解锁实验性虚拟机标志

要更改实验性标志的值，必须先对其解锁。解锁方法是：在命令行中的实验性标志前，显式地设置 -XX:+UnlockExperimentalVMOptions。例如：

> java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:G1NewSizePercent=10 -XX:G1MaxNewSizePercent=75 G1test.jar

建议

评估和微调 G1 GC 时，请记住以下建议：

• 年轻代大小：避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其他相关选项显式设置年轻代大小。固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。

• 暂停时间目标：每当对垃圾回收进行评估或调优时，都会涉及到延迟与吞吐量的权衡。G1 GC 是增量垃圾回收器，暂停统一，同时应用程序线程的开销也更多。G1 GC 的吞吐量目标是 90% 的应用程序时间和 10%的垃圾回收时间。

  如果将其与 Java HotSpot VM 的吞吐量回收器相比较，目标则是 99% 的应用程序时间和 1% 的垃圾回收时间。因此，当您评估 G1 GC 的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量。

  当您评估 G1 GC 的延迟时，请设置所需的（软）实时目标，G1 GC 会尽量满足。副作用是，吞吐量可能会受到影响。

• 掌握混合垃圾回收：当您调优混合垃圾回收时，请尝试以下选项：
  

• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
  用于更改标记阈值。

• -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent 和 -XX:G1HeapWastePercent
  当您想要更改混合垃圾回收决定时。

• 
  

• -XX:G1MixedGCCountTarget 和 -XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent
  当您想要调整旧区域的 CSet 时。

有关溢出和用尽的日志消息

当您在日志中看到目标空间溢出/用尽的消息时，意味着 G1 GC 没有足够的内存，供存活者和/或晋升对象使用。Java 堆不能扩展，因为已达到最大值。示例消息：

924.897: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (mixed) (to-space exhausted), 0.1957310 secs]

或

924.897:[GC pause (G1 Evacuation Pause) (mixed) (to-space overflow), 0.1957310 secs]

要缓解此问题，请尝试以下调整：

增加 -XX:G1ReservePercent 选项的值（并相应增加总的堆大小），为“目标空间”增加预留内存量。

通过减少 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提前启动标记周期。

您也可以通过增加 -XX:ConcGCThreads 选项的值来增加并行标记线程的数目。巨型对象和巨型分配

对于 G1 GC，任何超过区域一半大小的对象都被视为“巨型对象”。此类对象直接被分配到老年代中的“巨型区域”。这些巨型区域是一个连续的区域集。StartsHumongous 标记该连续集的开始，ContinuesHumongous 标记它的延续。

在分配任何巨型区域之前，会检查标记阈值，如有必要，还会启动一个并发周期。

在清理阶段或完整的垃圾回收周期内，标记周期结束时会清理死亡的巨型对象。

为了减少复制开销，巨型对象未包括在疏散暂停中。完整的垃圾回收周期会对巨型对象进行压缩。

由于每个 StartsHumongous 和 ContinuesHumongous 区域集只包含一个巨型对象，所以没有使用巨型对象的终点与上个区域的终点之间的空间（即巨型对象所跨的空间）。如果对象只是略大于堆区域大小的倍数，则此类未使用的空间可能会导致堆碎片化。

如果巨型分配导致连续的并发周期，并且此类分配导致老年代碎片化，请增加 -XX:G1HeapRegionSize，这样一来，之前的巨型对象就不再是巨型对象了，而是采用常规的分配路径。

总结

G1 GC 是区域化、并行-并发、增量式垃圾回收器，相比其他 HotSpot 垃圾回收器，可提供更多可预测的暂停。增量的特性使 G1 GC 适用于更大的堆，在最坏的情况下仍能提供不错的响应。G1 GC 的自适应特性使 JVM 命令行只需要软实时暂停时间目标的最大值以及 Java 堆大小的最大值和最小值，即可开始工作。