JVM
所有的垃圾回收器的目的都是朝着减少STW的目的而前进，G1(Garbage First)回收器的出现颠覆了之前版本CMS、Parallel等垃圾回收器的分代收集方式，从2004年Sun发布第一篇关于G1的论文后，直到2012年JDK7发布更新版本，花了将近10年的时间G1才达到商用的程度，而到JDK9发布之后，G1成为了默认的垃圾回收器，CMS也变相地相当于被淘汰了。

G1结构

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）。
G1原理 - 图1

G1优势

上面也提到，垃圾回收器的最终目的都是为了减少STW造成的停顿，比如之前老的垃圾回收器CMS这种带来的停顿时间是不可预估的。
而G1最大的优势就在于可预测的停顿时间模型，可以自己通过参数-XX:MaxGCPauseMillis来设置允许的停顿时间(默认200ms)，G1会收集每个Region的回收之后的空间大小、回收需要的时间，根据评估得到的价值，在后台维护一个优先级列表，然后基于设置的停顿时间优先回收价值收益最大的Region。
那么，这个可预测的停顿时间模型怎么计算和建立的？主要是基于衰减平均值的理论基础，衰减平均是一种数学方法，用来计算一个数列的平均值，给近期的数据更高的权重，强调近期数据对结果的影响，代码如下：

  1. // hotspot/src/share/vm/gc_implementation/g1/g1CollectorPolicy.hpp
  2. double get_new_prediction(TruncatedSeq* seq) {
  3.   return MAX2(seq->davg() + sigma() * seq->dsd(),
  4.               seq->davg() * confidence_factor(seq->num()));
  5. }

davg表示衰减值
sigma表示一个系数，代表信贷度，默认值为0.5
dsd表示衰减标准偏差
confidence_factor表示可信度系数，用于当样本数据不足(小于5个)时取一个大于1的值，样本数据越少该值越大。
基于这个模型，G1希望根据用户设置的停顿时间（只是期望时间，尽量努力在这个范围内完成GC）来选择需要对哪些Region进行回收，能回收多大空间。
比如过去10次回收10G内存花费1s，如果预设的停顿时间是200ms，那么就最多可以回收2G的内存空间。

空间分配&扩展

既然G1还是存在新生代和老年代的概念，那么新生代和老年代的空间是怎么划分的呢？
在G1中，新增了两个参数G1MaxNewSizePercent、G1NewSizePercent，用来控制新生代的大小，默认的情况下G1NewSizePercent为5，也就是占整个堆空间的5%，G1MaxNewSizePercent默认为60，也就是堆空间的60%。
假设现在的堆空间大小是4G，按照默认最大2048个Region计算，每个Region的大小就是2M。
初始新生代的大小那么就是200M，大约100个Region格子，动态扩展最大就是60%*4G=2.4G大小。
G1原理 - 图2
不过显然，事情不是这么简单，实际上初始化新生代的空间大小逻辑还是挺复杂的。
首先，通过原有参数-Xms设置初始堆的大小，-Xmx设置最大堆的大小还是生效的，可以设置堆的大小。

  1. 可以通过原有参数-Xmn或者新的参数G1NewSizePercent、G1MaxNewSizePercent来设置年轻代的大小，如果设置了-Xmn相当于设置G1NewSizePercent=G1MaxNewSizePercent。
  2. 接着看是不是设置了-XX:NewRatio(表示年轻代与老年代比值，默认值为2，代表年轻代老年代大小为1:2)，如果1都设置了，那么忽略NewRatio，反之则代表G1NewSizePercent=G1MaxNewSizePercent，并且分配规则还是按照NewRatio的规则。
  3. 如果只是设置了G1NewSizePercent、G1MaxNewSizePercent中的一个，那么就按照这两个参数的默认值5%和60%来设置。
  4. 如果设置了-XX:SurvivorRatio，默认为8，那么Eden和Survivor还是按照这个比例来分配

按照这个规则，新生代和老年代的空间分配基本就完成，如果说新生代走默认的规则，每次动态扩展空间大小怎么办？
有一个参数叫做-XX:GCTimeRatio表示GC时间与应用耗费时间比，默认为9，就是说GC时间和应用时间占比超过10%才进行扩展，扩展比例为20%，最小不能小于1M。

回收过程

G1的回收过程分为以下四个步骤：

  1. 初始标记：标记GC ROOT能关联到的对象，需要STW
  2. 并发标记：从GCRoots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，扫描完成后还会重新处理并发标记过程中产生变动的对象
  3. 最终标记：短暂暂停用户线程，再处理一次，需要STW
  4. 筛选回收：更新Region的统计数据，对每个Region的回收价值和成本排序，根据用户设置的停顿时间制定回收计划。再把需要回收的Region中存活对象复制到空的Region，同时清理旧的Region。需要STW。

总的来说这是一个偏向记忆的回收过程，知道就行了。
相对于之前存在分代概念的GC来说，G1其实也是类似的过程，总体可以分为这两种：

  1. 年轻代GC，年轻代Region在超过默认设置的最大大小之后就会触发GC，还是用的熟悉的复制算法，Eden和Survivor来回倒腾，这里不再赘述。
  2. Mixed GC混合回收，混合回收类似于之前的Full GC概念，既会回收年轻代的Region，也会回收老年代的Region，还有新的Humongous大对象区域。触发规则根据参数-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默认45%)值，也就是说老年代Region达到整个堆内存的45%时触发Mixed GC。

    其他问题

    上面应该把基本概念都解释完了。
    比如什么是G1？G1有什么特点？他的优点是什么？划分Region后怎么分配空间？怎么进行垃圾回收？什么时候进行YGC？什么时候进行FGC？可靠的停顿时间模型建立方式？
    除此之外，其实还有一些较为复杂的问题，比如之前说分代收集有跨代引用的问题，划分Region之后应该也有对不对，那怎么解决的？
    并发收集阶段怎么解决用户线程和收集线程互不干扰的？

    记忆集

    提到过一次关于Remembered Set的概念，为了避免GC时扫描整个堆内存，用来标志哪些区域存在跨代引用，对于G1来说也一样，只不过G1的记忆集会更复杂一点。
    每个Region中都存在一个Hash Table结构的记忆集，Key为其他Region的起始地址，Value是其他Card Table卡表的索引集合。
    原来卡表指向的是卡页的内存地址段，代表我引用了谁，现在的记忆集则是代表着谁引用了我，因此收集的过程会更复杂一点，并且需要额外的10%~20%的堆内存空间来维持。
    维护记忆集的方式也和卡表类似，通过写屏障来实现。

    原始快照SATB

    并发标记用户线程和收集线程一起工作会产生问题，解决方案CMS使用的是增量更新，G1则是用原始快照。