【JVM】G1 垃圾收集器的垃圾收集过程

G1（Garbage First）垃圾收集器是Java虚拟机（JVM）中的一种垃圾收集器，设计目标是提供高吞吐量和低停顿时间的垃圾收集。G1收集器将堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），并通过并行和并发的方式进行垃圾回收。G1收集器可以回收年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）的垃圾。G1收集器的垃圾收集过程主要分为以下几个阶段：

1. 年轻代GC（Young GC）

年轻代GC主要收集年轻代区域的垃圾，分为三个阶段：

1. 初始标记（Initial Marking）：

   • 这一阶段标记所有从GC Roots直接可达的对象。由于只是标记GC Roots及其直接关联的对象，所以这个阶段通常很短暂，但会导致短暂停顿（Stop-the-World，STW）。

2. 并发标记（Concurrent Marking）：

   • 这一阶段遍历整个堆，标记从GC Roots可达的所有对象。这个阶段是并发进行的，应用程序线程和GC线程同时工作。

3. 最终标记（Final Remarking）：

   • 修正并发标记阶段中因应用程序运行而导致的标记变化。此阶段也会导致短暂停顿（STW），但比初始标记时间更短。

2. 混合GC（Mixed GC）

混合GC不仅回收年轻代区域的垃圾，还回收一部分老年代区域的垃圾。混合GC的步骤包括：

1. 并发清理（Concurrent Cleanup）：

   • 识别和回收所有已死亡的老年代对象。这个阶段与应用程序线程并发进行。

2. 复制并压缩（Copy and Compact）：

   • 将存活的对象复制到新的Region，并释放原Region的空间。这个过程可以有效地减少内存碎片。

3. 完整GC（Full GC）

在极少数情况下，如果G1无法满足内存回收需求，会进行Full GC。Full GC会导致长时间的STW，并且会遍历整个堆空间来回收垃圾。

G1垃圾收集器的详细步骤

1. 初始标记（Initial Marking）：

   • 标记所有从GC Roots直接可达的对象。
   • 该阶段会导致短暂的STW。

2. 根区域扫描（Root Region Scanning）：

   • 标记年轻代中所有存活对象，并将其作为根，扫描这些对象所引用的老年代对象。
   • 该阶段是并发进行的。

3. 并发标记（Concurrent Marking）：

   • 从GC Roots开始遍历整个堆，标记所有存活的对象。
   • 该阶段是并发进行的。

4. 重新标记（Remarking）：

   • 修正并发标记阶段中因应用程序运行而导致的标记变化。
   • 该阶段会导致短暂的STW。

5. 清除（Cleanup）：

   • 计算并确定可回收的Region，清除死亡对象。
   • 该阶段部分是STW，部分是并发进行的。

6. 复制和压缩（Copy and Compact）：

   • 将存活对象复制到新的Region，并释放原Region的空间，减少内存碎片。

G1垃圾收集器的JVM参数

以下是一些常见的G1垃圾收集器相关的JVM参数：

• -XX:+UseG1GC：启用G1收集器。
• -XX:MaxGCPauseMillis=<N>：设置GC的最大暂停时间目标（毫秒）。
• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=<N>：在堆使用率达到N%时启动并发标记周期。
• -XX:G1HeapRegionSize=<N>：设置每个Region的大小。
• -XX:ConcGCThreads=<N>：设置并发GC线程的数量。
• -XX:ParallelGCThreads=<N>：设置STW阶段的GC线程数量。

通过合理配置这些参数，可以优化G1收集器的性能，使其更好地适应特定应用的需求。

Java代码示例

以下是一个简单的Java程序，用于演示如何配置JVM以使用G1收集器：

public class G1Example {
    public static void main(String[] args) {
        // 启动多个线程，模拟应用程序的负载
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new LoadTask()).start();
        }
    }
}

class LoadTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // 模拟分配大量内存
            byte[] array = new byte[1024 * 1024];
            try {
                // 模拟一些工作负载
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

要使用G1收集器运行上述程序，可以在启动JVM时添加以下参数：

-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200

示例：

java -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 G1Example

通过这些配置，G1收集器能够在满足最大暂停时间目标的情况下有效地回收垃圾，提高应用程序的响应性和吞吐量。