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G1垃圾收集器相比于CMS有哪些关键优势？它的Region划分和RSet设计起到了什么作用？

G1（Garbage-First）垃圾收集器是HotSpot JVM中一个重要的并发、并行、增量、分代、整理（compacting）收集器，它设计的目标是取代CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器，提供更好的可预测的暂停时间。

G1相比于CMS的关键优势

  1. 可预测的停顿时间目标 (Pause Time Goal)：

    • G1最大的优势在于它允许用户指定一个软实时（Soft Real-Time）的停顿时间目标（通过–XX:MaxGCPauseMillis参数），例如200毫秒。G1会尽量在用户设定的停顿时间内完成垃圾回收工作。
    • CMS虽然也有并发阶段，但在某些阶段（如初始标记、重新标记）仍会发生STW（Stop-The-World），且这些停顿时间有时难以预测，可能因为老年代碎片化或并发模式失败（Concurrent Mode Failure）而导致长时间停顿。

  2. 避免内存碎片问题：

    • CMS是一个“标记-清除”算法的收集器，在回收完成后不进行内存整理，容易产生大量的内存碎片。当需要分配大对象时，如果没有连续的足够大的空间，就会提前触发Full GC，导致长时间停顿。
    • G1是一个“标记-整理”算法的收集器。在执行Young GC和Mixed GC时，它会通过将存活对象从一个Region拷贝到另一个空的Region来实现“整理”，从而有效地避免了内存碎片问题，这对于长时间运行的应用程序尤为重要。

  3. 更高效的堆空间利用：

    • CMS主要关注老年代的回收，并且在并发标记阶段需要预留一部分空间供应用程序继续运行。
    • G1可以同时管理年轻代和老年代，并在Mixed GC阶段选择性地回收部分老年代Region，优先回收垃圾最多的Region（这也是“Garbage First”的由来），从而更有效地利用堆空间。

  4. 处理大对象 (Humongous Objects)：

    • G1专门设计了“Humongous Region”来存放大于 Region 大小一半的巨型对象，并且能够更好地处理这些巨型对象的分配和回收，避免它们被提前提升到老年代，减少了内存碎片。
    • CMS处理巨型对象时可能会遇到挑战，例如分配失败或导致过多的Full GC。

  5. 并发和并行性：

    • 两者都有并发（与应用线程并行）和并行（多个GC线程并行）阶段。
    • G1的并发标记阶段与CMS类似，但G1的“拷贝-整理”过程可以在多核CPU上并行执行，提高了效率。

G1的Region划分和RSet设计的作用

G1的核心创新在于其独特的堆内存布局——Region划分，以及为了支持这种划分而引入的RSet（Remembered Set）设计。

Region划分的作用：

G1将整个Java堆内存划分为多个大小相等的独立区域（Region），每个Region的大小在JVM启动时确定（通常为1MB到32MB，且是2的幂）。这些Region在逻辑上可以承担不同的角色：

  • 灵活的分代管理： G1不再有固定大小的年轻代和老年代，而是由一组Region动态地组成年轻代（Eden和Survivor）和老年代。年轻代的大小会根据G1的GC情况动态调整。
  • 增量式GC（Incremental GC）： 这是Region划分带来的最重要优势。G1的GC不再是对整个堆进行回收，而是选择性地对部分Region进行回收。在一次GC暂停中，G1会根据设置的停顿时间目标，选择回收价值最高（即垃圾最多）的Region进行收集。这种“分而治之”的策略使得每次GC的停顿时间更短、更可控。
  • 局部性原理： 将对象分配到独立的Region中，有助于提高缓存的局部性。
  • 空间整合 (Compaction)： 当一个Region被回收时，G1会将其中存活的对象复制到另外一个或多个空闲Region中，从而有效地实现了内存整理，避免了碎片问题。

RSet（Remembered Set）设计的作用：

由于G1是增量式收集，它在GC某个Region时，不能扫描整个堆来查找指向该Region中对象的引用。RSet就是为了解决这个问题而设计的。

  • RSet的定义： 每个Region都维护一个RSet。一个Region的RSet记录了从堆中其他Region指向该Region的所有引用。简单来说，RSet是用来记录“外部指向内部”的指针。
  • 如何维护RSet： G1通过“写屏障”（Write Barrier）技术来维护RSet。当应用程序修改了一个引用，例如objectA.field = objectB时，写屏障会被触发。如果objectA和objectB位于不同的Region，并且这个引用是从objectA的Region指向objectB的Region，那么就会在objectB的RSet中记录这个引用信息。
  • RSet在GC中的作用：
    • 精确的跨代引用扫描： 当G1进行垃圾回收时，它只需要扫描被收集Region内部的引用，以及该Region的RSet中所记录的来自其他Region的引用。这样，GC线程就不需要扫描整个堆来找到所有根对象，大大缩小了扫描范围，提高了GC效率。
    • 支持并发标记： RSet的维护是并发进行的，它允许G1在应用线程运行的同时，收集器线程能够独立地进行标记和回收，而不需要长时间的STW。
    • 实现增量式收集的关键： RSet使得G1可以独立地收集部分Region，而无需考虑整个堆的连通性，这是实现G1“增量式”和“可预测停顿”目标的关键基础。

总结来说，G1通过Region划分实现了堆的逻辑分块，支持增量式回收和内存整理；而RSet设计则解决了增量式回收中跨Region引用的追踪问题，使得G1能够在不扫描整个堆的情况下，高效、准确地收集指定Region的垃圾，从而提供了比CMS更优越的可预测停顿时间和更低的内存碎片。