高并发系统必看！G1如何让亿级JVM吞吐量提升300%？

作者：微信小助手

发布时间：2025-03-04T11:58:13

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G1 分区模型

Region 分区模型

G1 将堆内存划分为多个等大小的 Region（默认 1MB-32MB），每个 Region 可以是 Eden、Survivor 或 Old 区，默认是将堆内存按照 2048 份均分。

这种灵活的分区方式打破了传统代际的物理隔离，允许动态调整各代内存占比。

Region 的角色（年轻代、老年代或大对象区）是动态分配的。例如，一个 Region 可能初始作为 Eden 区，回收后被标记为 Survivor 区，后续可能转为老年代区。

大对象（Humongous 对象）：若对象大小超过 Region 的 50%，则分配到连续的 Humongous Region。此类对象回收需特殊处理，若空间不足可能触发 Full GC。

例如，当老年代占用过高时，G1 会优先回收垃圾最多的 Region，而非全堆扫描。

跨代引用的智能追踪

卡表（Card Table）：记录跨 Region 的引用关系。例如，老年代对象引用年轻代对象时，对应的卡表条目会被标记为“脏卡”。

记忆集（RSet）：每个 Region 维护一个 RSet，存储其他 Region 对其内部对象的引用。通过 RSet 快速定位跨 Region 引用，避免全堆扫描。

写屏障（Write Barrier）：在对象引用修改时触发，更新卡表和 RSet。例如，当老年代对象引用新生代对象时，写屏障会记录该引用。

混合回收（Mixed GC）

混合回收是 G1 的精髓：在一次回收中，同时处理年轻代和老年代的 Region。

通过计算回收收益（垃圾量/耗时），G1 选择性价比最高的 Region 集合（Collection Set），在用户设定的最大停顿时间内（如 200ms）完成回收。

在逻辑上，G1 分为年轻代和老年代，但它的年轻代和老年代比例，并不是那么“固定”，为了达到 MaxGCPauseMillis 所规定的效果，G1 会自动调整两者之间的比例。

如果你强行使用 -Xmn 或者 -XX:NewRatio 去设定它们的比例的话，我们给 G1 设定的这个目标将会失效。

G1 的回收过程主要分为 3 类：

  1. G1“年轻代”的垃圾回收，同样叫 Minor GC，这个过程和我们前面描述的类似，发生时机就是 Eden 区满的时候。
  2. 老年代的垃圾收集，严格上来说其实不算是收集，它是一个“并发标记”的过程，顺便清理了一点点对象。
  3. 真正的清理，发生在“混合模式”，它不止清理年轻代，还会将老年代的一部分区域进行清理。

年轻代回收（Young GC）

Chaya：年轻代回收触发流程是什么？

Eden 区占满时触发，仅回收年轻代 Region。回收流程如下所示：

  • 根扫描：标记 GC Roots 直接可达的对象（如栈帧局部变量、静态变量）。

  • RSet 处理：通过脏卡队列更新 RSet，将老年代对年轻代的引用加入 GC Roots。

  • 复制存活对象：将 Eden 和 Survivor 区的存活对象复制到新 Survivor 区，年龄达阈值（默认 15）则晋升老年代。

  • 这个过程通常是 Stop-The-World（STW）的，即在回收过程中，应用程序的其他线程会被暂停。

混合回收（Mixed GC）

Chaya：混合回收的触发条件是什么？

多次回收之后，会出现很多 Old 老年代区，此时总堆占有率达到阈值（默认 45%）时会触发混合回收 MixedGC。混合回收会回收 整个年轻代 + 部分老年代。

回收过程如下：

  • 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接可达对象，耗时短。
  • 并发标记：与应用线程并行，遍历堆标记存活对象，使用三色标记法（黑、灰、白）避免漏标。
  • 重新（最终）标记（STW）：处理并发标记期间引用变化（通过 SATB 算法保证一致性），修正标记结果。
  • 筛选回收：根据 Region 的回收价值（垃圾占比与回收时间）选择 Region 集合（Collection Set），复制存活对象并清理。

注意：当混合回收无法快速释放足够空间时触发 Full GC（如大对象分配失败），采用单线程标记-整理算法，导致长停顿。

初始标记

初始标记会暂停所有用户线程，只标记从 GC Root 可直达的对象，所以停顿时间不会太长。

采用三色标记法进行标记，三色标记法在原有双色标记（黑也就是 1 代表存活，白 0 代表可回收）增加了一种灰色。

三色标记法

  • 黑色：对象及其引用均完成标记。
  • 灰色：对象已标记，但引用未完全处理。
  • 白色：未标记或待回收对象。
  • 漏标问题解决：通过 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）机制，记录并发标记开始时的对象快照，确保标记一致性

并发标记

默认线程数为ParallelGCThreads的 1/4（通过-XX:ConcGCThreads调整），减少应用线程阻塞。

允许系统程序的运行，同时进行"GC Roots"追踪，追踪所有存活对象(间接引用的对象)。该阶段很耗时，因为要追踪全部的存活对象。但是是并发运行，对系统影响不大。

GC 开始前所有对象都是白色，GC 一开始所有根能够直达的对象被压到栈中，待搜索，此时颜色是灰色。

然后灰色对象依次从栈中取出搜索子对象，子对象也会被涂为灰色，入栈。

当其所有的子对象都涂为灰色之后该对象被涂为黑色。

当 GC 结束之后灰色对象将全部没了，剩下黑色的为存活对象，白色的为垃圾。

需要注意的是：由于用户线程可能同时在修改对象的引用关系，就会出现错标的情况

Chaya:那咋办呢？

G1 为了解决这个问题，使用了SATB 技术（Snapshot At The Beginning， 初始快照）。

在并发标记开始时，G1 会创建一个堆内存的快照，记录所有存活对象的初始状态。

在最终标记阶段，系统会处理并发期间新增的引用变化，通过写前屏障（Write Barrier）记录这些变化，确保新对象不被错误回收。

最终标记

触发时机：在并发标记（Concurrent Marking）完成后，G1 需要暂停所有应用线程（STW），以处理并发标记期间遗漏的引用变化，确保标记结果的准确性。

核心目标：修正并发标记阶段因应用线程并发执行导致的对象引用变化（如新对象创建或引用更新），并生成最终的存活对象快照。

处理漏标对象：通过遍历卡表（Card Table）中的“脏页”（记录引用修改的区域），重新扫描这些区域的对象，修正标记状态

筛选回收

最终标记完成后，G1 根据停顿时间目标（MaxGCPauseMillis）和Region 回收价值，选择最合适的区域进行回收。

优先回收垃圾比例高（存活对象少）的 Region，以最小化回收时间并最大化内存释放效率。

根据每个 Region 的存活对象数量和回收时间成本计算“回收价值”，优先选择存活率低、回收效率高的 Region 组成回收集（Collection Set, CSet）。

标记-复制算法：将存活对象从回收集的 Region 复制到空闲 Region，同时整理内存以减少碎片。

主要步骤如下所示：

  1. 构建回收集（CSet）：
    • 根据 Region 的存活对象比例和用户设定的停顿时间目标（如-XX:MaxGCPauseMillis），动态选择需要回收的 Region。
    • 通常包括所有年轻代 Region（Eden/Survivor）和部分老年代 Region（混合收集模式）
  2. 并行迁移存活对象：
    • 暂停应用线程（STW），启动多个 GC 线程并行执行。
    • 将回收集内的存活对象复制到空闲 Region（如 Survivor 区或 Old 区的新 Region），并更新对象引用指针。
  3. 清理与释放内存
    • 清空原 Region 的所有内容，将其标记为“空闲区域”。
    • 更新Remembered Set（RSet）和卡表，记录跨 Region 引用的变化。

调优策略与参数

案例一：年轻代配置

案例：某线上服务因误设-Xmn256m覆盖 G1 的自动调节，导致 Eden 区过小（仅 256MB），频繁触发 Young GC（600+次/压测），响应时间激增。

解决方案：删除-Xmn参数，由 G1 根据G1NewSizePercent（默认 5%）和G1MaxNewSizePercent（默认 60%）动态调整新生代大小，GC 时间从 25 秒降至 1 秒内。

案例二：老年代“拥堵治理”

动态年龄判定：若 Survivor 区使用超过 50%（TargetSurvivorRatio默认值），对象会直接晋升老年代。需通过增大 Survivor 区或降低晋升阈值（MaxTenuringThreshold），避免过早“占道”。

混合回收触发阈值：默认InitiatingHeapOccupancyPercent=45%（老年代占比），高并发场景可适度调低以提前回收，避免 Full GC。

大对象“专车配送”

大对象（超过 Region 50%）直接进入老年代，类似超重订单需特殊车辆处理。通过G1HeapRegionSize调整 Region 大小（如 32MB），或设置PretenureSizeThreshold控制大对象阈值，减少内存碎片。

Full GC 的应急处理

内存不足：堆内存过小或老年代晋升过快，需检查-Xmx/-Xms是否一致（建议设为物理内存 75%-80%）。

并发失败：若 Mixed GC 无法及时回收，触发 Full GC，需优化MaxGCPauseMillis或降低InitiatingHeapOccupancyPercent。

启用 GC 日志：-XX:+PrintGCDetails -Xloggc:/path/gc.log，关注Full GC关键字及耗时。

关键调优参数

  • -XX:MaxGCPauseMillis：设定最大停顿时间（默认 200ms），G1 根据此目标动态调整回收 Region 数量.
  • -XX:G1HeapRegionSize：手动指定 Region 大小（需为 2 的幂次方）。
  • -XX:G1MixedGCCountTarget：控制混合回收次数（默认 8 次），分批次回收老年代 Region 以减少单次停顿。
  • -XX:G1ReservePercent：预留堆内存（默认 10%）防止晋升失败。

总结

G1 是一款非常优秀的垃圾收集器，不仅适合堆内存大的应用，同时也简化了调优的工作。通过主要的参数初始和最大堆空间、以及最大容忍的 GC 暂停目标，就能得到不错的性能；同时，我们也看到 G1 对内存空间的浪费较高，但通过首先收集尽可能多的垃圾(Garbage First)的设计原则，可以及时发现过期对象，从而让内存占用处于合理的水平。

虽然 G1 也有类似 CMS 的收集动作：初始标记、并发标记、重新标记、清除、转移回收，并且也以一个串行收集器做担保机制，但单纯地以类似前三种的过程描述显得并不是很妥当。

  • G1 的设计原则是"首先收集尽可能多的垃圾(Garbage First)"。因此，G1 并不会等内存耗尽(串行、并行)或者快耗尽(CMS)的时候开始垃圾收集，而是在内部采用了启发式算法，在老年代找出具有高收集收益的分区进行收集。同时 G1 可以根据用户设置的暂停时间目标自动调整年轻代和总堆大小，暂停目标越短年轻代空间越小、总空间就越大；
  • G1 采用内存分区(Region)的思路，将内存划分为一个个相等大小的内存分区，回收时则以分区为单位进行回收，存活的对象复制到另一个空闲分区中。由于都是以相等大小的分区为单位进行操作，因此 G1 天然就是一种压缩方案(局部压缩)；
  • G1 虽然也是分代收集器，但整个内存分区不存在物理上的年轻代与老年代的区别，也不需要完全独立的 survivor(to space)堆做复制准备。G1 只有逻辑上的分代概念，或者说每个分区都可能随 G1 的运行在不同代之间前后切换；
  • G1 的收集都是 STW 的，但年轻代和老年代的收集界限比较模糊，采用了混合(mixed)收集的方式。即每次收集既可能只收集年轻代分区(年轻代收集)，也可能在收集年轻代的同时，包含部分老年代分区(混合收集)，这样即使堆内存很大时，也可以限制收集范围，从而降低停顿。