#G1 收集器原理

候选人小孙在面试字节 P7 时，面试官问道：

"G1 收集器的核心设计是什么？"

小孙说："把堆分成多个 Region..."面试官追问："G1 的 Young GC 和 Mixed GC 有什么区别？"

小孙答不上来。面试官继续追问："G1 怎么实现停顿时间目标的？"

小孙彻底卡住了...

#一、核心问题：G1 收集器原理 🔴

#1.1 问题拆解

第一层：Region 设计（怎么分？）
  "G1 的 Region 是什么？"
  考察点：Region 划分、Humongous 区域

第二层：GC 类型（有哪些？）
  "G1 有哪几种 GC 类型？"
  考察点：Young GC / Mixed GC / Full GC

第三层：停顿时间控制（怎么控制？）
  "G1 怎么实现 MaxGCPauseMillis？"
  考察点：Mixed GC 的 Region 选择

#1.2 ❌ 错误示范

候选人原话 A："G1 不分代。"

问题诊断：G1 是逻辑分代的。它将堆划分为多个 Region，每个 Region 可以扮演不同的角色（Eden/Survivor/Old），而不是物理上的固定分代。

候选人原话 B："G1 完全没有停顿。"

问题诊断：G1 仍然有 Stop-The-World 停顿（Young GC 和 Mixed GC），但停顿时间可控。

#1.3 标准回答

#P5 级别：Region 划分

G1 的 Region 设计：

G1 将堆划分为多个大小相等的 Region（默认 1MB，最大 32MB）：

graph TD
    subgraph G1 堆内存
        R1[Eden Region<br/>新对象分配]
        R2[Eden Region]
        R3[Survivor Region<br/>存活对象]
        R4[Old Region<br/>长期存活对象]
        R5[Humongous Region<br/>大对象（>50% Region）]
        R6[Free Region]
    end

    subgraph Remembered Set
        RS1[RS: 指向 R3 的引用]
        RS2[RS: 指向 R4 的引用]
    end

Humongous 区域：

超过 Region 大小 50% 的对象被称为 Humongous 对象，存储在 Humongous Region 中。Humongous 对象的回收优先级较低。

#P6 级别：GC 类型

G1 的三种 GC 类型：

GC 类型	触发条件	回收区域	停顿时间
Young GC	Eden 区满	年轻代 Region	较短
Mixed GC	老年代使用率超过阈值	年轻代 + 部分老年代 Region	可控
Full GC	Mixed GC 不够	全堆	长（Serial Old）

Young GC：

当 Eden Region 满了时触发。G1 将 Eden + Survivor Region 中的存活对象复制到新的 Survivor Region 或 Old Region。

Mixed GC：

G1 在 Young GC 时，追踪老年代的垃圾比例。如果老年代 Region 中的垃圾比例较高（通过 IVO - Initial Marked Value Offset），G1 将 Young GC 扩展为 Mixed GC，同时回收部分老年代 Region。

#P7 级别：停顿时间目标的实现

MaxGCPauseMillis 的实现：

G1 不追求一次回收整个堆，而是通过增量回收的方式实现停顿时间目标：

-XX:MaxGCPauseMillis=200  # 期望最大停顿时间 200ms

实现原理：

1. G1 维护一个待回收 Region 列表

2. 每次 GC 时，G1 选择回收价值最高的 Region（垃圾最多的 Region）

3. G1 计算每个 Region 的回收收益（回收后释放的空间 / 回收成本）

4. 选择收益最高的 Region，直到达到停顿时间目标

Cocktail Table（鸡尾酒表）：

G1 使用 Cocktail Table 追踪每个 Region 的 GC 信息：

// 每个 Region 有一个 GC 信息记录
class G1RegionTable {
    int gcCount;      // GC 次数
    long gcTimeSum;   // 累计 GC 时间
    double gcTimeAvg; // 平均 GC 时间
}

通过历史数据，G1 预测下一次 GC 的时间，从而选择合适数量的 Region。

【面试官心理】 这道题我能问到 P7 级别，是因为 G1 的停顿时间控制是 GC 设计的核心技术。能说清 Cocktail Table 的候选人说明他理解了 G1 的自适应调优机制。

#1.4 追问升级

追问：G1 什么时候会触发 Full GC？

G1 触发 Full GC 的情况：

• Mixed GC 回收的速度跟不上对象分配的速度
• Humongous 对象过多，导致没有足够的空间
• 元空间不足

#二、生产调优 🟡

#2.1 G1 调优参数

# 停顿时间目标
-XX:MaxGCPauseMillis=200

# Region 大小
-XX:G1HeapRegionSize=4m  # 必须是 2 的幂次

# 启动 Mixed GC 的阈值
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45  # 堆使用率 45% 时开始并发周期

# Mixed GC 的目标 Region 数量
-XX:G1NewSizePercent=5  # 年轻代最小比例
-XX:G1MaxNewSizePercent=60  # 年轻代最大比例

#2.2 G1 vs CMS