为解决CMS算法产生空间碎片和其它一系列的问题缺陷，HotSpot提供了另外一种垃圾回收策略，G1（Garbage First）算法，通过参数-XX:+UseG1GC来启用，该算法在JDK 7u4版本被正式推出，官网对此描述如下：
The Garbage-First (G1) collector is a server-style garbage collector, targeted for multi-processor machines with large memories. It meets garbage collection (GC) pause time goals with a high probability, while achieving high throughput. The G1 garbage collector is fully supported in Oracle JDK 7 update 4 and later releases. The G1 collector is designed for applications that:
- Can operate concurrently with applications threads like the CMS collector.
- Compact free space without lengthy GC induced pause times.
- Need more predictable GC pause durations.
- Do not want to sacrifice a lot of throughput performance.
- Do not require a much larger Java heap.
G1垃圾收集算法主要应用在多CPU大内存的服务中，在满足高吞吐量的同时，竟可能的满足垃圾回收时的暂停时间，该设计主要针对如下应用场景：
- 垃圾收集线程和应用线程并发执行，和CMS一样
- 空闲内存压缩时避免冗长的暂停时间
- 应用需要更多可预测的GC暂停时间
- 不希望牺牲太多的吞吐性能
- 不需要很大的Java堆 （翻译的有点虚，多大才算大？）
堆内存结构
1、以往的垃圾回收算法，如CMS，使用的堆内存结构如下：
- 新生代：eden space + 2个survivor
- 老年代：old space
- 持久代：1.8之前的perm space
- 元空间：1.8之后的metaspace
这些space必须是地址连续的空间。
2、在G1算法中，采用了另外一种完全不同的方式组织堆内存，堆内存被划分为多个大小相等的内存块（Region），每个Region是逻辑连续的一段内存，结构如下：
每个Region被标记了E、S、O和H，说明每个Region在运行时都充当了一种角色，其中H是以往算法中没有的，它代表Humongous，这表示这些Region存储的是巨型对象（humongous object，H-obj），当新建对象大小超过Region大小一半时，直接在新的一个或多个连续Region中分配，并标记为H。
Region
堆内存中一个Region的大小可以通过-XX:G1HeapRegionSize参数指定，大小区间只能是1M、2M、4M、8M、16M和32M，总之是2的幂次方，如果G1HeapRegionSize为默认值，则在堆初始化时计算Region的实践大小，具体实现如下：
默认把堆内存按照2048份均分，最后得到一个合理的大小。
GC模式
G1中提供了三种模式垃圾回收模式，young gc、mixed gc 和 full gc，在不同的条件下被触发。
young gc
发生在年轻代的GC算法，一般对象（除了巨型对象）都是在eden region中分配内存，当所有eden region被耗尽无法申请内存时，就会触发一次young gc，这种触发机制和之前的young gc差不多，执行完一次young gc，活跃对象会被拷贝到survivor region或者晋升到old region中，空闲的region会被放入空闲列表中，等待下次被使用。
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| -XX:MaxGCPauseMillis | 设置G1收集过程目标时间，默认值200ms |
| -XX:G1NewSizePercent | 新生代最小值，默认值5% |
| -XX:G1MaxNewSizePercent | 新生代最大值，默认值60% |
mixed gc
当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即mixed gc，该算法并不是一个old gc，除了回收整个young region，还会回收一部分的old region，这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代，可以选择哪些old region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。
那么mixed gc什么时候被触发？
先回顾一下cms的触发机制，如果添加了以下参数：
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly
当老年代的使用率达到80%时，就会触发一次cms gc。相对的，mixed gc中也有一个阈值参数 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阈值时，会触发一次mixed gc.
mixed gc的执行过程有点类似cms，主要分为以下几个步骤：
- initial mark: 初始标记过程，整个过程STW，标记了从GC Root可达的对象
- concurrent marking: 并发标记过程，整个过程gc collector线程与应用线程可以并行执行，标记出GC Root可达对象衍生出去的存活对象，并收集各个Region的存活对象信息
- remark: 最终标记过程，整个过程STW，标记出那些在并发标记过程中遗漏的，或者内部引用发生变化的对象
- clean up: 垃圾清除过程，如果发现一个Region中没有存活对象，则把该Region加入到空闲列表中
full gc
如果对象内存分配速度过快，mixed gc来不及回收，导致老年代被填满，就会触发一次full gc，G1的full gc算法就是单线程执行的serial old gc，会导致异常长时间的暂停时间，需要进行不断的调优，尽可能的避免full gc.
G1垃圾回收器介绍与CMS区别
1. Region分区
在G1之前的垃圾收集器，将堆区主要划分了Eden区，Old区，Survivor区。其中对于Eden，Survivor对回收过程来说叫做“年轻代垃圾收集”。并且年轻代和老年代都分别是连续的内存空间。G1将堆分成了若干Region，Region的大小可以通过G1HeapRegionSize参数进行设置，其必须是2的幂，范围允许为1Mb到32Mb。 JVM的会基于堆内存的初始值和最大值的平均数计算分区的尺寸，平均的堆尺寸会分出约2000个Region。分区大小一旦设置，则启动之后不会再变化。
Eden regions(年轻代-Eden区)
Survivor regions(年轻代-Survivor区)
Old regions（老年代）
Humongous regions（巨型对象区域）
Free resgions（未分配区域，也会叫做可用分区）
1）G1还是采用分代回收，但是不同的分代之间内存不一定是连续的，不同分代的Region的占用数也不一定是固定的（不建议通过相关选项显式设置年轻代大小。会覆盖暂停时间目标）。年轻代的Eden,Survivor数量会随着每一次GC发生相应的改变。
2）分区是不固定属于哪个分代的，所以比如一次ygc过后，原来的Eden的分区就会变成空闲的可用分区，随后也可能被用作分配巨型对象，成为H区等。
3）G1中的巨型对象是指，占用了Region容量的50%以上的一个对象。Humongous区，就专门用来存储巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，则会通过连续的若干H分区来存储。因为巨型对象的转移会影响GC效率，所以并发标记阶段发现巨型对象不再存活时，会将其直接回收。ygc也会在某些情况下对巨型对象进行回收。
4）分区可以有效利用内存空间，因为收集整体是使用“标记-整理”，Region之间基于“复制”算法，GC后会将存活对象复制到可用分区（未分配的分区），所以不会产生空间碎片。
5）G1类似CMS，也会在比如一次fullgc中基于堆尺寸的计算重新调整（增加）堆的空间。但是相较于执行fullgc，G1 GC会在无法分配对象或者巨型对象无法获得连续分区来分配空间时，优先尝试扩展堆空间来获得更多的可用分区。原则上就是G1会计算执行GC的时间，并且极力减少花在GC上的时间（包括ygc,mixgc）,如果可能，会通过不断扩展堆空间来满足对象分配、转移的需要。
6）因为G1提供了“可预测的暂停时间”，也是基于G1的启发式算法，所以G1会估算年轻代需要多少分区，以及还有多少分区要被回收。younggc触发的契机就是在Eden分区数量达到上限时。一次younggc会回收所有的Eden和survivor区。其中存活的对象会被转移到另一个新的survivor区或者old区，如果转移的目标分区满了，会再将可用区标记成S或者O区。
2. G1重要的数据结构
TLAB(Thread Local Allocation Buffer)本地线程缓冲区
G1 GC会默认会启用Tlab优化。其作用就是在并发情况下，基于CAS的独享线程(mutator threads)可以优先将对象分配在一块内存区域（属于Java堆的Eden中)，只是因为是Java线程独享的内存区，没有锁竞争，所以分配速度更快，每个Tlab都是一个线程独享的。如果待分配的对象被判断是巨型对象，则不使用TLAB。
PLAB(Promotion Local Allocation Buffer) 晋升本地分配缓冲区
在younggc中，对象会将全部Eden区存活的对象转移（复制）到S区分区。也会存在S区对象晋升（Promotion）到老年代。这个决定晋升的阀值可以通过MaxTenuringThreshold设定。晋升的过程,无论是晋升到S还是O区，都是在GC线程的PLAB中进行。每个GC线程都有一个PLAB。
Collection Sets(CSets)待收集集合
GC中待回收的region的集合。CSet中可能存放着各个分代的Region。CSet中的存活对象会在gc中被移动（复制）。GC后CSet中的region会成为可用分区。
Remembered Sets(RSets)已记忆集合
已记忆集合在每个分区中都存在，并且每个分区只有一个RSet。其中存储着其他分区中的对象对本分区对象的引用,是一种points-in结构。ygc的时候，只要扫描RSet中的old区对象对于本young区的引用，不需要扫描所有old区。mixed gc时，扫描Old区的RSet中,其他old区对于本old分区的引用，一样不用扫描所有的old区。提高了GC效率。因为每次GC都会扫描所有young区对象，所以RSet只有在扫描old引用young，old引用old时会被使用。
Card Table 卡表
将Java堆划分为相等大小的一个个区域，这个小的区域（一般size在128-512字节）被当做Card，而Card Table维护着所有的Card。Card Table的结构是一个字节数组,Card Table用单字节的信息映射着一个Card。当Card中存储了对象时，称为这个Card被脏化了（dirty card）。 对于一些热点Card会存放到Hot card cache。同Card Table一样，Hot card cache也是全局的结构。
3. G1与CMS的对比
3.1 CMS处理过程
CMS收集器仅作用于老年代的收集，是基于标记-清除算法的，它的运作过程分为4个步骤：
初始标记（CMS initial mark）独占CPU（STW），仅标记GCroots能直接关联的对象
并发标记（CMS concurrent mark）可以和用户线程并行执行，标记所有可达对象
重新标记（CMS remark）独占CPU(STW)，对并发标记阶段用户线程运行产生的垃圾对象进行标记修正
并发清除（CMS concurrent sweep）可以和用户线程并行执行，清理垃圾
其中，初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要Stop-the-world。初始标记仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程，而重新标记阶段则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对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短。
3.2 CMS 优点
并发收集、低停顿
3.3 CMS缺点
1）对CPU非常敏感：在并发阶段虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程使应用程序变慢
2）无法处理浮动垃圾：在最后一步并发清理过程中，用户线程执行也会产生垃圾，但是这部分垃圾是在标记之后，所以只有等到下一次gc的时候清理掉，这部分垃圾叫浮动垃圾
3）CMS使用“标记-清理”法会产生大量的空间碎片：当碎片过多，将会给大对象空间的分配带来问题，会出现老年代还有很大的空间但无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次FullGC，为了解决这个问题CMS提供了一个开关参数（-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection默认开启），用于在FullGC完成之后进行一次碎片整理，但是内存整理的过程是无法并发的，会导致停顿时间变长
3.4 G1 YoungGC
年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区。YGC时,首先G1停止应用程序的执行(Stop-The-World),G1创建回收集(Collection Set),回收集是指需要被回收的内存分段的集合,年轻代回收过程的回收集包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。
1）第一阶段,扫描根。根是指static变量指向的对象,正在执行的方法调用链条上的局部变量等。跟引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。
2）第二阶段,更新RSet。处理dirty card queue中的card,更新RSet。此阶段完成后,RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。
3）第三阶段,处理RSet。识别被老年代对象指向的Eden中的对象,这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。
4）第四阶段,复制对象。此阶段,对象树被遍历,Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段,Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值,年龄会加1,达到阈值会被复制到Old区中空的内存分段。如果Survivor空间不够,Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。
5）第五阶段,处理引用。处理Soft,Weak,Phantom,Final,JNI Weak 等引用。最终Eden空间的数据为空,GC停止工作,而目标内存中的对象都是连续存储的,没有碎片,所以复制过程可以达到内存整理的效果,减少碎片。
3.5 G1 并发标记
当整个堆大小在jvm堆栈空间中占比达到IHOP阈值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默认45%)时，G1就会启动一次混合垃圾收集周期。Mix GC不仅进行正常的新生代垃圾收集，同时也回收部分后台扫描线程标记的老年代分区。进行Mix GC之前，会先进行全局并发标记。
1）初始标记（InitingMark）:标记GC Roots，会STW,一般会复用YoungGC的暂停时间。初始标记会设置好所有分区的NTAMS值。
2）根分区扫描（RootRegionScan）：根据初始标记阶段确定的GC根元素，扫描这些元素所在region，获取对老年代的引用，并标记被引用的对象。 该阶段与应用线程并发执行，也就是说没有STW停顿，必须在下一次年轻代GC开始之前完成。
3）并发标记（ConcurrentMark）：遍历整个堆，查找所有可达的存活对象。若发现区域对象中的所有对象都是垃圾,那这个区域会被立即回收。 此阶段与应用线程并发执行， 也允许被年轻代GC打断。
4）最终标记（Remark）：此阶段有一次STW暂停，以完成标记周期。 G1会清空SATB缓冲区，跟踪未访问到的存活对象，并进行引用处理。
5）清除阶段（Clean UP）： 这是最后的子阶段，G1在执行统计和清理RSet时会有一次STW停顿。 在统计过程中，会把完全空闲的region标记出来，也会标记出适合于进行混合模式GC的候选region。 清理阶段有一部分是并发执行的，比如在重置空闲region并将其加入空闲列表时。
清除阶段之后，还会对存活对象进行转移（复制算法），转移到其他可用分区，所以当前的分区就变成了新的可用分区。复制转移主要是为了解决分区内的碎片问题。
3.6 G1MixedGC
1）并发标记结束以后,老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了,部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下,这些老年代的内存分段会分8次(可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置)被回收。
2）混合回收的回收集(Collection Set)包括八分之一的老年代内存分段,Eden区内存分段,Survivor区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样,只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程请参考年轻代回收过程。
3）由于老年代中的内存分段默认分8次回收,G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高,越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收。-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent,默认为65%,意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低,意味着存活的对象占比高,在复制的时候会花费更多的时间。
4）混合回收并不一定要进行8次。有一个阈值-XX:G1HeapWastePercent,默认值为10%,意思是允许整个堆内存中有10%的空间被浪费,意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%,则不再进行混合回收。因为GC会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。
3.7 G1特点
1）并行与并发：G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU来缩短Stop-the-world停顿的时间，部分其他收集器原来需要停顿Java线程执行的GC操作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续运行。
2）分代收集
3）空间整合：与CMS的标记-清除算法不同，G1从整体来看是基于标记-整理算法实现的收集器，从局部（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的。但无论如何，这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。
4）可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点，但G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用这明确指定一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。