G1 垃圾收集器深度解析：Region 分區、混合收集、SATB 並發標記與調優實戰

G1 (Garbage First) 作為 JDK 9+ 默認收集器，面向大堆 (4GB-32GB+) 低延遲場景。本文系統剖析 Region 分區架構、Young/Mixed GC 流程、SATB 並發標記、RSet/CTable 記憶集、關鍵調優參數與 Full GC 觸發場景應對。

一、設計目標與核心創新

二、Region 分區架構

堆內存 (連續虛擬地址空間)
┌─────────────────────────────────────────────┐
│ Region 0 │ Region 1 │ Region 2 │ ... Region N │  ← 2048 個大小相等區域 (1-32MB, 2的冪)
├─────────────────────────────────────────────┤
│  邏輯分代 (非物理連續)                        │
│  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐       │
│  │ Eden    │  │Survivor │  │ Old     │  ...  │  ← 每個 Region 標記邏輯代
│  │ Region  │  │ Region  │  │ Region  │       │
│  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘       │
└─────────────────────────────────────────────┘

• Region 大小：啟動時根據堆大小計算，目標 ~2048 個 Region，-XX:G1HeapRegionSize 可指定
• Humongous Region：對象 > 50% Region Size 直接分配為巨型對象，佔用連續多個 Region，默認進老年代
• 可用空間：Free Region 鏈表管理，分配優先從 Free 獲取

三、記憶集：RSet 與 Card Table

3.1 核心問題

Young GC 掃描 Roots 時，老年代 → 新生代引用若全掃描老年代則極慢。需記錄「哪些老年代 Region 引用了新生代 Region」。

3.2 Card Table (卡表)

• 將 Region 劃分為 512B Card (默認)
• 字節數組 byte[] cardTable，索引映射 Card，值 0=清潔/1=髒
• 寫屏障：引用賦值時標記目標 Card 為髒

3.3 RSet (Remembered Set)

• 每個 Region 維護一個 RSet：Map<Region, Set<CardIndex>>
• Key：來源 Region 起始地址；Value：該 Region 中髒 Card 索引集合
• Young GC 時：只需遍歷 RSet 中的 Card，掃描其中引用，避免全老年代掃描

Point-in vs Point-out：G1 採用 Point-in (誰引用我)，CMS 採用 Point-out (我引用誰)。Point-in 更適合 Region 眾多場景。

四、Young GC 流程 (STW)

1. 根掃描：掃描線程棧、JNI Handles、JVMTI 等 GC Roots
2. 更新 RSet：處理 Dirty Card Queue，更新 RSet
3. 處理 RSet：遍歷 RSet，掃描老年代→新生代引用，標記存活對象
4. 對象復制/遷移：存活對象復制到 Survivor/Old Region (復制算法，隱含整理)
5. 引用處理：軟/弱/虛/終結器引用處理

CSet (Collection Set)：本次 GC 目標 Region 集合。Young GC = 所有 Eden + Survivor Region。

五、並發標記與 Mixed GC (核心創新)

5.1 全局並發標記 5 階段

5.2 SATB (Snapshot-At-The-Beginning) 寫屏障

// 伪代碼：寫屏障邏輯
void preWriteBarrier(Object field) {
    if (markingInProgress) {
        Object oldValue = field.get();
        if (oldValue != null && !isMarked(oldValue)) {
            satbQueue.add(oldValue); // 記錄舊引用對象，防止漏標
        }
    }
}

• 核心思想：並發標記開始時活著的對象「快照」必須存活，即使引用斷開也標記為灰色
• 三色不變式：強三色不變式 (CMS 增量更新) vs 弱三色不變式 (G1 SATB)
• 浮動垃圾：並發階段新分配/引用斷開的對象本輪不回收，下輪處理

5.3 Mixed GC

• 觸發：老年代佔用達到 InitiatingHeapOccupancyPercent (默認 45%)
• CSet = 所有新生代 Region + 活度最高的若干老年代 Region
• 目標：在 MaxGCPauseMillis 內完成，優先回收垃圾密度高的 Region