一.G1 GC術語Overview
1.1 並發
並發的意思是Java應用執行和垃圾收集活動可以同時進行
1.2 並行
並行的意思是垃圾收集運算是多線程執行的，比如CMS垃圾收集器的年輕代就是並行的，並行與串行的區別如下圖，左邊為串行，右邊為並行：
1.3 STW
STW(stop the world)意思是在一個垃圾回收事件中，所有Java應用線程會被暫停。只有暫停，應用才不會產生新的垃圾，有益於垃圾收集器更好的標記垃圾對象。（這就像是你在家掃狗毛，肯定要把狗先關籠子，停止它的活動）
1.4 Region
請先忘記這個圖，學習G1過程中不會對每個代進行設置了
G1垃圾收集器利用分而治之的思想將堆進行分區，划分為一個個的區域。每次收集的時候，只收集其中幾個區域，以此來控制垃圾回收產生的STW
G1和其他GC算法最大的區別是弱化分代概念，引入分區思想！！！
如果要另外選擇分區的尺寸，可以通過命令行選項：-XX:G1HeapRegionSize=n中進行設置
1.5 RSet
G1垃圾收集器里每一個RSet對應的是一個Region內部對象引用情況，說白了就是存在Region中存活對象的指針。在標記存活對象的時候，G1使用RSet概念，將每個分區指向分區內的引用記錄在該分區，避免對整個堆掃描，並行獨立處理垃圾集合
- 老年代對年輕代的引用，維護老年代分區指向年輕代分區的指針
- 老年代對老年代的引用。在這里，老年代中不同分區的指針將被維護在老年代擁有分區的RSet中
如下圖，我們可以看到3個分區，x（年輕代分區）、y和z（老年代分區）。x有一個來自z的對內引用。這個引用記錄在x的RSet中，分區z有2個對內引用，一個來自x一個來自y，因為年輕代分區作為一個整體回收的，所以只需記錄來自y的對內引用，不用記錄x的對內引用
1.6 CSet
Collection Set，簡稱CSet。在垃圾收集過程中收集的Region集合可以稱為收集集合（CSet），也就是在垃圾收集暫停過程中被回收的目標。GC時在CSet中的所有存活數據都會被轉移，分區釋放回空閑分區隊列
見下圖，左邊的年輕代收集CSet代表年輕代的一部分分區，右邊的混合收集CSet代表年輕代的一部分區和老年代的多個分區：
1.7 PLAB
Promotion Local Allocation Buffers，對象晉升到survivor分區或者老年代分區的過程是在GC線程的晉升本地分配緩沖區（PLAB）進行的，每個線程有獨立的PLAB。作用是避免多線程競爭相同數據。和下面介紹的TLAB思想是一致的
1.8 TLAB
Thread Local Allocation Buffers，線程本地分配緩存。JVM使用了TLAB這種線程專屬的區間來避免多線程沖突（無鎖方式），提高對象分配效率。TLAB本身占用了Eden空間，即JVM會為每一個線程都分配一塊TLAB空間
1.9 IHOP
InitiatingHeapOccupancyPercent，簡稱IHOP。缺省情況是Java堆內存的45%。當老年代的空間超過45%，G1會啟動一次混合周期收集
這也是G1和CMS之間較大的區別，G1的百分比是相對於整個Java堆而言的，CMS（CMSInitiatingOccupancyFraction）僅僅是針對老年代空間的占比。
為什么G1如此設計？？？
因為G1沒有固定物理上分割一塊內存作為老年代，而是用了Region的思想，這些Region可能是eden，survivor、老年代或者巨型分區，所以獲取針對老年代本身的占用百分比沒有意義
2.10 巨型分區
巨型對象會以連續分區的形式來存放，這種就叫巨型分區。巨型對象無法利用年輕代里的TLAB和PLAB。在JDK 8u40之前，它只能在並發收集周期的清除階段回收，但是在JDK 8u40之后，巨型分區可以在年輕代收集中和full GC被回收
二.G1的設計
2.1 為什么會有G1？
為什么會有G1呢？因為並發、並行和CMS垃圾收集器都有2個共同的問題：
- 老年代收集器大部分操作都必須掃描整個老年代空間（標記，清除和壓縮）。這就導致了GC隨着Java堆空間而線性增加或減少
- 年輕代和老年代是獨立的連續內存塊，所以要先決定年輕代和年老代放在虛擬地址空間的位置
2.2 Region的設計
上面說到，G1垃圾收集器利用分而治之的思想將堆進行分區，划分為一個個的區域。G1垃圾收集器將堆拆成一系列的分區，這樣的話，大部分的垃圾收集操作就只在一個分區內執行，而不是整個堆或者整個代
2.3 設計目標
G1的設計目標就是把必要的調整限定在以下2個：
- 設置最大的Java堆空間
- 設置指定GC暫停時間
G1會通過調整Java堆尺寸大小來滿足設定的暫停時間目標，暫停時間目標越短，年輕代空間越小，老年代空間相對越大
2.4 使用場景
G1 GC切分堆內存為多個區間（Region），從而避免很多GC操作在整個Java堆或者整個年輕代進行。G1 GC只關注你有沒有存貨對象，都會被回收並放入可用的Region隊列。G1 GC是基於Region的GC，適用於大內存機器。即使內存很大，Region掃描，性能還是很高的
如果現在采用的收集器沒有問題，就不要選擇G1，如果追求低停頓，那么G1已經是一個可嘗試的選擇，如果追求吞吐量，就不要選G1了
四.G1的垃圾回收
G1的垃圾收集周期主要有4種類型：年輕代收集周期、多級並發標記周期、混合收集周期和full GC（轉移失敗的安全保護機制）
這一節我會以應用啟動的時間順序來講，這樣比較易懂一點，也可以參照G1垃圾收集活動時序圖：
4.1 年輕代收集
應用剛啟動，慢慢流量進來，開始生成對象。G1會選一個分區並指定他為eden分區，當這塊分區用滿了之后，G1會選一個新的分區作為eden分區，這個操作會一直進行下去直到達到eden分區上限，也就是說eden分區已經被占滿，那么會觸發一次年輕代收集
年輕代收集首先做的就是遷移存活對象，它使用單eden，雙survivor進行復制算法，它將存活的對象從eden分區轉移到survivor分區，survivor分區內的某些對象達到了任期閾值之后，會晉升到老年代分區中。原有的年輕代分區會被整個回收掉
同時，年輕代收集還負責維護對象年齡，存活對象經歷過年輕代收集總次數等信息。G1將晉升對象的尺寸總和和它們的年齡信息維護到年齡表中，結合年齡表、survivor占比（--XX:TargetSurvivorRatio 缺省50%）、最大任期閾值（--XX:MaxTenuringThreshold 缺省為15）來計算出一個合適的任期閾值
調優：我們可以通過--XX:MaxGCPauseMillis，調優年輕代收集，縮小暫停時間
4.2 並發標記周期
隨着時間推移，越來越多的對象晉升到老年代中，當老年代占比（相對於Java總堆而言）達到IHOP參數（上圖的IHOP Trigger）之后，那么G1首先會觸發並發標記周期（上圖的Concurrent Marking Cycle），當完成后才會開始下一小節的混合垃圾收集周期
G1的並發標記循環分5個階段：
第一階段：初始標記（上圖Young Collection with Initial Mark），收集所有GC根（對象的起源指針，根引用），STW，在年輕代完成
第二階段：根區間掃描，標記所有幸存者區間的對象引用
第三階段：並發標記（上圖Concurrent Marking），標記存活對象
第四階段：重新標記（上圖Remark），是最后一個標記階段，STW，很短，完成所有標記工作
第五階段：清除（上圖Clean），回收沒有存活對象的Region並加入可用Region隊列
調優：我們可以通過--XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，配置適合應用的IHOP值（過大會可能轉移失敗，過小可能過早引起並發標記周期）
我們也可以通過--XX:ConcGCThreads，增加並發線程數
4.3 混合收集周期
當達到IHOP參數並完成上一小節的並發標記周期之后，混合收集周期就啟動了，一個周期里的單次STW的混合收集和年輕代收集是類似的，唯一區別就是在混合收集過程中會包含一部分老年分區，所以也叫混合收集
看上圖的Mixed Collection Cycle，中間有好幾段Mixed Collection，說明混合收集周期包含多次收集次數。那么什么影響收集次數呢？是固定的？還是？有兩個參數比較重要：
-XX:G1MixedGCCountTarget：缺省值為8，意思是能啟動混合收集的數目設定一個物理限制。G1根據將回收的老年分區除以該參數值得到每次混合收集的老年代CSet最小數量
-XX:G1HeapWastePercent：缺省值為5%，每次混合收集暫停，G1算出廢物百分比，根據堆廢物百分比，當收集達到參數時，不再啟動新的混合收集
調優：當暫停時間和運行時間呈現指數級增長，可以通過-XX:G1HeapWastePercent，調高該參數會有所幫助，但這也導致更多碎片化
4.4 full GC
有2個條件同時滿足則會觸發full GC
1.拷貝存活對象晉升（promotion）失敗，無法找到可用的空閑分區，GC日志記錄為to-space exhausted。或者分配巨型對象無法在老年代找到連續足夠的分區
2.當發生第一個條件后，G1會嘗試增加堆使用量，如果擴展失敗，那么會觸發安全措施機制同時發生full GC
full GC中，單個線程會對整個堆的所有代中所有分區做標記、清除以及壓縮動作！！非常非常昂貴的操作！