G1

G1抛弃了之前的分代收集的方式，面向整个堆内存进行回收，把内存划分为多个大小相等的独立区域Region。

一共有4种Region：

1. 自由分区Free Region
2. 年轻代分区Young Region，年轻代还是会存在Eden和Survivor的区分
3. 老年代分区Old Region
4. 大对象分区Humongous Region

每个Region的大小通过-XX:G1HeapRegionSize来设置，大小为1~32MB，默认最多可以有2048个Region，那么按照默认值计算G1能管理的最大内存就是32MB*2048=64G。

对于大对象的存储，存在Humongous概念，对G1来说，超过一个Region一半大小的对象都被认为大对象，将会被放入Humongous Region，而对于超过整个Region的大对象，则用几个连续的Humongous来存储（如下图H区域）。

这么做的目的是在进行收集时不必在全堆范围内进行。它主要特点在于达到可控的停顿时间，用户可以指定收集操作在多长时间内完成，即G1提供了接近实时的收集特性。它的步骤如下：

1. 初始标记（Initial Marking）：标记一下GC Roots能直接关联到的对象，伴随着一次普通的Young GC发生，并修改NTAMS（Next Top at Mark Start）的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可用的Region中创建新对象，此阶段是stop-the-world操作。
2. 根区间扫描，标记所有幸存者区间的对象引用，扫描 Survivor到老年代的引用，该阶段必须在下一次Young GC 发生前结束。
3. 并发标记（Concurrent Marking）：是从GC Roots开始对堆中对象进行可达性分析，找出存活的对象，这阶段耗时较长，但可与用户程序并发执行，该阶段可以被Young GC中断。
4. 最终标记（Final Marking）：是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程Remembered Set Logs里面，最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中，此阶段是stop-the-world操作，使用snapshot-at-the-beginning (SATB) 算法。
5. 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划,回收没有存活对象的Region并加入可用Region队列。这个阶段也可以做到与用户程序一起并发执行，但是因为只回收一部分Region，时间是用户可控制的，而且停顿用户线程将大幅提高收集效率。

收集集（Collection Set）

CSet=collection set。一组可被回收的分区的集合。把需要回收的region都集合起来，叫做collection set。

Remembered Set

我们之前说过，G1在回收每个Region上的垃圾时，每个Region之间又有相互依赖引用关系，想要做到对全部Region进行扫描清理，那么不得不做一次全堆扫描。这样就降低了垃圾回收的效率。所以HotSpot引入了Remembered Set来专门存储于管理对象的引用依赖关系，用来记录外部指向本Region的所有引用。这样当每次回收时，只需要根据Remembered Set上面的对应关系找到相对的区域进行清理，这样就可以避免扫描整个堆内存又不会遗漏某一个区域。

• 每次Reference类型数据写操作时,都会产生一个Write Barrier（写屏障）。
• 然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region (其他收集器:检查老年代对象是否引用了新生代对象)。
• 如果不同,通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中。

相对应地，上面说的Collection Set（CSet），它记录了GC要收集的Region集合。GC时只需扫描CSet中各个Rset即可。

(Tips for Tuning the Garbage First Garbage Collector)

G1的特点

• 并行与并发：G1充分发挥多核性能，使用多CPU来缩短Stop-The-world的时间，
• 分代收集：G1能够自己管理不同分代内已创建对象和新对象的收集，逻辑分代，物理连续。
• 空间整合：G1从整体上来看是基于‘标记-整理’算法实现，从局部（相关的两块Region）上来看是基于‘复制’算法实现，这两种算法都不会产生内存空间碎片。
• 可预测的停顿：它可以自定义停顿时间模型，可以指定一段时间内消耗在垃圾回收商的时间不大于预期设定值。

使用场景

G1 GC切分堆内存为多个区间（Region），从而避免很多GC操作在整个Java堆或者整个年轻代进行。G1 GC是基于Region的GC，适用于大内存机器。即使内存很大，Region扫描，性能还是很高的。

G1对比CMS的优势在哪？

• G1虽然会mark整个堆，但并不回收所有有活对象的region；通过只选择收益高的少量region来回收，这种暂停的开销就可以（在一定范围内）可控。但是毕竟要暂停来拷贝对象，这个暂停时间再怎么低也有限。G1的STW在几十到一百甚至两百毫秒都很正常。所以切记不要把 -XX:MaxGCPauseMillis 设得太低，不然G1跟不上目标就容易导致垃圾堆积，反而更容易引发full GC而降低性能。通常设到100ms、250ms之类的都可能是合理的。
• 而CMS的remark需要重新扫描mod-union table里的dirty card外加整个根集合，而此时整个young gen（不管对象死活）都会被当作根集合的一部分，因而CMS remark有可能会非常慢。如果在CMS的并发标记阶段，应用仍然在高速分配内存使得young gen里有很多对象的话，那remark阶段就可能会有很长时间的暂停。Young gen越大，CMS remark暂停时间就有可能越长。而G1的finial marking(或者成为remarking)阶段只需要扫描satb_mark_queue。
• CMS使用清除的方式回收，会使内存碎片化。而G1d的回收阶段是使用复制算法，不会有碎片。