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G1垃圾回收器介绍和线上实践

news 2026/4/15 4:41:03

一、前言

Java语言相较于C++等语言，一个显著的特点是垃圾回收机制，允许程序员在编写程序时无需考虑内存管理，统一由底层的垃圾回收机器进行垃圾回收。但是垃圾回收器在回收垃圾时，会对应用线程造成停顿，影响应用的性能。

在Java应用调优中，核心的两个指标为：响应时间和吞吐量。

1.1 响应时间

响应时间指的是应用对请求的响应时间，如：

一个桌面应用对时间的响应时间
网站返回一个页面的时间
数据库查询结果返回时间

对于专注于最小响应时间的应用，长时间停顿是无法接受的。

1.2 吞吐量

吞吐量专注于应用在一段时间的的最大工作量。如：

给定时间内完成的事物数
每小时批处理程序能够完成的任务
每小时数据库可以完成的查询操作数

较长停顿时间在此情况下是可以接受的。比起低响应时间，吞吐量优先应用更看重一段时间内的表现。

1.3 总结

基于两个指标，可得出评估一个垃圾回收器在实际业务中关键的是：单次最大停掉时间和周期内的停顿次数。

注：本文介绍的G1主要是基于JDK8进行分析，在后续的JDK版本中，有较多优化，比如JDK10 退化后的Full GC支持多线程等。

二、G1垃圾回收器

Garbage-First(G1)收集器时一款服务端垃圾收集器，主要针对多处理器、大内存环境设计。在尽可能满足GC停顿时间目标的同时获取更高的吞吐量。在JDK7u4版本开始支持；

2.1 基本介绍

2.1.1 设计目标

像CMS那样做到并发GC，提高GC并行和并发表现
没有内存碎片问题，内存整理过程不需要延长GC时间，不需要虚拟机停顿STW
可预测的GC停顿时间
更高的吞吐量
在不增加堆内存大小下更好地利用堆内存

G1的远期目标时替代CMS+ParNew（自适应的、分代的、停顿-复制、标记-清理并发垃圾回收器）组合。

2.1.2 优点

与CMS相比，G1优点包括：

G1是内存整理虚拟机，G1通过对堆内存划分区域（region），分区管理，避免使用细粒度空闲列表来实现高效内存整理；
G1提供比CMS更加可预测的GC停顿时间，并允许用户设定停顿时间目标。

2.1.3 推荐应用场景

G1的设计初衷是为用户提供大内存、低GC停顿时间的应用解决方案。

如果应用正在使用CMS或ParallelOld且面临以下问题，推荐将应用迁移至G1

FullGC发生频繁或总时间过长
对象分配率或对象升级至老年代的比例波动较大
较长的垃圾收集或内存整理停顿（大于0.5至1秒）

注意：

如果应用没有上述问题，可以不需要切换到G1。
切换到G1不要求更新JDK版本。

2.2 实现概览

2.2.1 老式垃圾回收器

老式垃圾回收器(Serial,Parallel,CMS)统一将堆分成大小固定的三部分：新生代、老年代和永久代。整体划分类似如下图所示：

2.2.2 G1 内存划分

在G1垃圾回收器中，使用了不同的内存划分方法，其将内存划分为不同小的区域（region），每个区域在虚拟内存上是连续的。同时在实际使用中，每个区域会像老式垃圾回收器一样，标记该region为eden、survivor和old，但是某个区域不是固定属于区（eden等），其余依据实际使用动态地去调整。

G1收集器将堆均分成大小相同的区域，每个区域的大小为1M~32M之间，最大支持2048个区域，因此G1最大可支持的内存为64G。

可参考源码：

https://github.com/wu560130911/jdk/blob/jdk8-b119/hotspot/src/share/vm/gc_implementation/g1/heapRegion.cpp#L139

  // Minimum region size; we won't go lower than that.   // We might want to decrease this in the future, to deal with small   // heaps a bit more efficiently.   static const size_t MIN_REGION_SIZE = 1024 * 1024;   // Maximum region size; we don't go higher than that. There's a good   // reason for having an upper bound. We don't want regions to get too   // large, otherwise cleanup's effectiveness would decrease as there   // will be fewer opportunities to find totally empty regions after   // marking.   static const size_t MAX_REGION_SIZE = 32 * 1024 * 1024;   // The automatic region size calculation will try to have around this   // many regions in the heap.   static const size_t TARGET_REGION_NUMBER = 2048;

在不同堆大小写的区域大小如表格：