第一章 概述
G1(Garbage First)垃圾收集器是當今垃圾回收技術最前沿的成果之一。早在JDK7就已加入JVM的收集器大家庭中，成為HotSpot重點發展的垃圾回收技術。同優秀的CMS垃圾回收器一樣，G1也是關注最小時延的垃圾回收器，也同樣適合大尺寸堆內存的垃圾收集，官方也推薦使用G1來代替選擇CMS。G1最大的特點是引入分區的思路，弱化了分代的概念，合理利用垃圾收集各個周期的資源，解決了其他收集器甚至CMS的眾多缺陷。
第二章 JVM GC收集器的回顧與比較
從JDK3(1.3)開始，HotSpot團隊一直努力朝著高效收集、減少停頓(STW: Stop The World)的方向努力，也貢獻了從串行到CMS乃至最新的G1在內的一系列優秀的垃圾收集器。上圖展示了JDK的垃圾回收大家庭，以及相互之間的組合關系，下面就幾種典型的組合應用進行簡單的介紹。
串行收集器組合 Serial + Serial Old
開啟選項：-XX:+SerialGC
串行收集器是最基本、發展時間最長、久經考驗的垃圾收集器，也是client模式下的默認收集器配置。
串行收集器采用單線程stop-the-world的方式進行收集。當內存不足時，串行GC設置停頓標識，待所有線程都進入安全點(Safepoint)時，應用線程暫停，串行GC開始工作，采用單線程方式回收空間并整理內存。單線程也意味著復雜度更低、占用內存更少，但同時也意味著不能有效利用多核優勢。事實上，串行收集器特別適合堆內存不高、單核甚至雙核CPU的場合。
并行收集器組合 Parallel Scavenge + Parallel Old
開啟選項：-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseParallelOldGC(可互相激活)
并行收集器是以關注吞吐量為目標的垃圾收集器，也是server模式下的默認收集器配置，對吞吐量的關注主要體現在年輕代Parallel Scavenge收集器上。
并行收集器與串行收集器工作模式相似，都是stop-the-world方式，只是暫停時并行地進行垃圾收集。年輕代采用復制算法，老年代采用標記-整理，在回收的同時還會對內存進行壓縮。關注吞吐量主要指年輕代的Parallel Scavenge收集器，通過兩個目標參數-XX:MaxGCPauseMills和-XX:GCTimeRatio，調整新生代空間大小，來降低GC觸發的頻率。并行收集器適合對吞吐量要求遠遠高于延遲要求的場景，并且在滿足最差延時的情況下，并行收集器將提供最佳的吞吐量。
并發標記清除收集器組合 ParNew + CMS + Serial Old
開啟選項：-XX:+UseConcMarkSweepGC
并發標記清除(CMS)是以關注延遲為目標、十分優秀的垃圾回收算法，開啟后，年輕代使用STW式的并行收集，老年代回收采用CMS進行垃圾回收，對延遲的關注也主要體現在老年代CMS上。
年輕代ParNew與并行收集器類似，而老年代CMS每個收集周期都要經歷：初始標記、并發標記、重新標記、并發清除。其中，初始標記以STW的方式標記所有的根對象；并發標記則同應用線程一起并行，標記出根對象的可達路徑；在進行垃圾回收前，CMS再以一個STW進行重新標記，標記那些由mutator線程(指引起數據變化的線程，即應用線程)修改而可能錯過的可達對象；最后得到的不可達對象將在并發清除階段進行回收。值得注意的是，初始標記和重新標記都已優化為多線程執行。CMS非常適合堆內存大、CPU核數多的服務器端應用，也是G1出現之前大型應用的首選收集器。
但是CMS并不完美，它有以下缺點：
由于并發進行，CMS在收集與應用線程會同時會增加對堆內存的占用，也就是說，CMS必須要在老年代堆內存用盡之前完成垃圾回收，否則CMS回收失敗時，將觸發擔保機制，串行老年代收集器將會以STW的方式進行一次GC，從而造成較大停頓時間；
標記清除算法無法整理空間碎片，老年代空間會隨著應用時長被逐步耗盡，最后將不得不通過擔保機制對堆內存進行壓縮。CMS也提供了參數-XX:CMSFullGCsBeForeCompaction(默認0，即每次都進行內存整理)來指定多少次CMS收集之后，進行一次壓縮的Full GC。
Garbage First (G1)
開啟選項：-XX:+UseG1GC
之前介紹的幾組垃圾收集器組合，都有幾個共同點：
年輕代、老年代是獨立且連續的內存塊；
年輕代收集使用單eden、雙survivor進行復制算法；
老年代收集必須掃描整個老年代區域；
都是以盡可能少而塊地執行GC為設計原則。
G1垃圾收集器也是以關注延遲為目標、服務器端應用的垃圾收集器，被HotSpot團隊寄予取代CMS的使命，也是一個非常具有調優潛力的垃圾收集器。雖然G1也有類似CMS的收集動作：初始標記、并發標記、重新標記、清除、轉移回收，并且也以一個串行收集器做擔保機制，但單純地以類似前三種的過程描述顯得并不是很妥當。事實上，G1收集與以上三組收集器有很大不同：
G1的設計原則是”首先收集盡可能多的垃圾(Garbage First)“。因此，G1并不會等內存耗盡(串行、并行)或者快耗盡(CMS)的時候開始垃圾收集，而是在內部采用了啟發式算法，在老年代找出具有高收集收益的分區進行收集。同時G1可以根據用戶設置的暫停時間目標自動調整年輕代和總堆大小，暫停目標越短年輕代空間越小、總空間就越大；
G1采用內存分區(Region)的思路，將內存劃分為一個個相等大小的內存分區，回收時則以分區為單位進行回收，存活的對象復制到另一個空閑分區中。由于都是以相等大小的分區為單位進行操作，因此G1天然就是一種壓縮方案(局部壓縮)；
G1雖然也是分代收集器，但整個內存分區不存在物理上的年輕代與老年代的區別，也不需要完全獨立的survivor(to space)堆做復制準備。G1只有邏輯上的分代概念，或者說每個分區都可能隨G1的運行在不同代之間前后切換；
G1的收集都是STW的，但年輕代和老年代的收集界限比較模糊，采用了混合(mixed)收集的方式。即每次收集既可能只收集年輕代分區(年輕代收集)，也可能在收集年輕代的同時，包含部分老年代分區(混合收集)，這樣即使堆內存很大時，也可以限制收集范圍，從而降低停頓。
分區 Region
G1采用了分區(Region)的思路，將整個堆空間分成若干個大小相等的內存區域，每次分配對象空間將逐段地使用內存。因此，在堆的使用上，G1并不要求對象的存儲一定是物理上連續的，只要邏輯上連續即可；每個分區也不會確定地為某個代服務，可以按需在年輕代和老年代之間切換。啟動時可以通過參數-XX:G1HeapRegionSize=n可指定分區大小(1MB~32MB，且必須是2的冪)，默認將整堆劃分為2048個分區。
卡片 Card
在每個分區內部又被分成了若干個大小為512 Byte卡片(Card)，標識堆內存最小可用粒度所有分區的卡片將會記錄在全局卡片表(Global Card Table)中，分配的對象會占用物理上連續的若干個卡片，當查找對分區內對象的引用時便可通過記錄卡片來查找該引用對象(見RSet)。每次對內存的回收，都是對指定分區的卡片進行處理。
堆 Heap
G1同樣可以通過-Xms/-Xmx來指定堆空間大小。當發生年輕代收集或混合收集時，通過計算GC與應用的耗費時間比，自動調整堆空間大小。如果GC頻率太高，則通過增加堆尺寸，來減少GC頻率，相應地GC占用的時間也隨之降低；目標參數-XX:GCTimeRatio即為GC與應用的耗費時間比，G1默認為9，而CMS默認為99，因為CMS的設計原則是耗費在GC上的時間盡可能的少。另外，當空間不足，如對象空間分配或轉移失敗時，G1會首先嘗試增加堆空間，如果擴容失敗，則發起擔保的Full GC。Full GC后，堆尺寸計算結果也會調整堆空間。
分代 Generation
分代垃圾收集可以將關注點集中在最近被分配的對象上，而無需整堆掃描，避免長命對象的拷貝，同時獨立收集有助于降低響應時間。雖然分區使得內存分配不再要求緊湊的內存空間，但G1依然使用了分代的思想。與其他垃圾收集器類似，G1將內存在邏輯上劃分為年輕代和老年代，其中年輕代又劃分為Eden空間和Survivor空間。但年輕代空間并不是固定不變的，當現有年輕代分區占滿時，JVM會分配新的空閑分區加入到年輕代空間。
整個年輕代內存會在初始空間-XX:G1NewSizePercent(默認整堆5%)與最大空間-XX:G1MaxNewSizePercent(默認60%)之間動態變化，且由參數目標暫停時間-XX:MaxGCPauseMillis(默認200ms)、需要擴縮容的大小以及分區的已記憶集合(RSet)計算得到。當然，G1依然可以設置固定的年輕代大小(參數-XX:NewRatio、-Xmn)，但同時暫停目標將失去意義。
本地分配緩沖 Local allocation buffer (Lab)
值得注意的是，由于分區的思想，每個線程均可以”認領”某個分區用于線程本地的內存分配，而不需要顧及分區是否連續。因此，每個應用線程和GC線程都會獨立的使用分區，進而減少同步時間，提升GC效率，這個分區稱為本地分配緩沖區(Lab)。
其中，應用線程可以獨占一個本地緩沖區(TLAB)來創建的對象，而大部分都會落入Eden區域(巨型對象或分配失敗除外)，因此TLAB的分區屬于Eden空間；而每次垃圾收集時，每個GC線程同樣可以獨占一個本地緩沖區(GCLAB)用來轉移對象，每次回收會將對象復制到Suvivor空間或老年代空間；對于從Eden/Survivor空間晉升(Promotion)到Survivor/老年代空間的對象，同樣有GC獨占的本地緩沖區進行操作，該部分稱為晉升本地緩沖區(PLAB)。
G1對內存的使用以分區(Region)為單位，而對對象的分配則以卡片(Card)為單位。
巨型對象 Humongous Region
一個大小達到甚至超過分區大小一半的對象稱為巨型對象(Humongous Object)。當線程為巨型分配空間時，不能簡單在TLAB進行分配，因為巨型對象的移動成本很高，而且有可能一個分區不能容納巨型對象。因此，巨型對象會直接在老年代分配，所占用的連續空間稱為巨型分區(Humongous Region)。G1內部做了一個優化，一旦發現沒有引用指向巨型對象，則可直接在年輕代收集周期中被回收。
巨型對象會獨占一個、或多個連續分區，其中第一個分區被標記為開始巨型(StartsHumongous)，相鄰連續分區被標記為連續巨型(ContinuesHumongous)。由于無法享受Lab帶來的優化，并且確定一片連續的內存空間需要掃描整堆，因此確定巨型對象開始位置的成本非常高，如果可以，應用程序應避免生成巨型對象。
已記憶集合 Remember Set (RSet)
在串行和并行收集器中，GC通過整堆掃描，來確定對象是否處于可達路徑中。然而G1為了避免STW式的整堆掃描，在每個分區記錄了一個已記憶集合(RSet)，內部類似一個反向指針，記錄引用分區內對象的卡片索引。當要回收該分區時，通過掃描分區的RSet，來確定引用本分區內的對象是否存活，進而確定本分區內的對象存活情況。
事實上，并非所有的引用都需要記錄在RSet中，如果一個分區確定需要掃描，那么無需RSet也可以無遺漏的得到引用關系。那么引用源自本分區的對象，當然不用落入RSet中；同時，G1 GC每次都會對年輕代進行整體收集，因此引用源自年輕代的對象，也不需要在RSet中記錄。最后只有老年代的分區可能會有RSet記錄，這些分區稱為擁有RSet分區(an RSet’s owning region)。
Per Region Table (PRT)
RSet在內部使用Per Region Table(PRT)記錄分區的引用情況。由于RSet的記錄要占用分區的空間，如果一個分區非常”受歡迎”，那么RSet占用的空間會上升，從而降低分區的可用空間。G1應對這個問題采用了改變RSet的密度的方式，在PRT中將會以三種模式記錄引用：
稀少：直接記錄引用對象的卡片索引
細粒度：記錄引用對象的分區索引
粗粒度：只記錄引用情況，每個分區對應一個比特位
由上可知，粗粒度的PRT只是記錄了引用數量，需要通過整堆掃描才能找出所有引用，因此掃描速度也是最慢的。
收集集合 CSet
收集集合(CSet)代表每次GC暫停時回收的一系列目標分區。在任意一次收集暫停中，CSet所有分區都會被釋放，內部存活的對象都會被轉移到分配的空閑分區中。因此無論是年輕代收集，還是混合收集，工作的機制都是一致的。年輕代收集CSet只容納年輕代分區，而混合收集會通過啟發式算法，在老年代候選回收分區中，篩選出回收收益最高的分區添加到CSet中。
候選老年代分區的CSet準入條件，可以通過活躍度閾值-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默認85%)進行設置，從而攔截那些回收開銷巨大的對象；同時，每次混合收集可以包含候選老年代分區，可根據CSet對堆的總大小占比-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent(默認10%)設置數量上限。
由上述可知，G1的收集都是根據CSet進行操作的，年輕代收集與混合收集沒有明顯的不同，最大的區別在于兩種收集的觸發條件。
年輕代收集集合 CSet of Young Collection
應用線程不斷活動后，年輕代空間會被逐漸填滿。當JVM分配對象到Eden區域失敗(Eden區已滿)時，便會觸發一次STW式的年輕代收集。在年輕代收集中，Eden分區存活的對象將被拷貝到Survivor分區；原有Survivor分區存活的對象，將根據任期閾值(tenuring threshold)分別晉升到PLAB中，新的survivor分區和老年代分區。而原有的年輕代分區將被整體回收掉。
同時，年輕代收集還負責維護對象的年齡(存活次數)，輔助判斷老化(tenuring)對象晉升的時候是到Survivor分區還是到老年代分區。年輕代收集首先先將晉升對象尺寸總和、對象年齡信息維護到年齡表中，再根據年齡表、Survivor尺寸、Survivor填充容量-XX:TargetSurvivorRatio(默認50%)、最大任期閾值-XX:MaxTenuringThreshold(默認15)，計算出一個恰當的任期閾值，凡是超過任期閾值的對象都會被晉升到老年代。
混合收集集合 CSet of Mixed Collection
年輕代收集不斷活動后，老年代的空間也會被逐漸填充。當老年代占用空間超過整堆比IHOP閾值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默認45%)時，G1就會啟動一次混合垃圾收集周期。為了滿足暫停目標，G1可能不能一口氣將所有的候選分區收集掉，因此G1可能會產生連續多次的混合收集與應用線程交替執行，每次STW的混合收集與年輕代收集過程相類似。
為了確定包含到年輕代收集集合CSet的老年代分區，JVM通過參數混合周期的最大總次數-XX:G1MixedGCCountTarget(默認8)、堆廢物百分比-XX:G1HeapWastePercent(默認5%)。通過候選老年代分區總數與混合周期最大總次數，確定每次包含到CSet的最小分區數量；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。而每次添加到CSet的分區，則通過計算得到的GC效率進行安排。
祭出一張總圖
由于不能整堆掃描，又需要計算分區確切的活躍度，因此，G1需要一個增量式的完全標記并發算法，通過維護RSet，得到準確的分區引用信息。在G1中，RSet的維護主要來源兩個方面：寫柵欄(Write Barrier)和并發優化線程(Concurrence Refinement Threads)
柵欄 Barrier
我們首先介紹一下柵欄(Barrier)的概念。柵欄是指在原生代碼片段中，當某些語句被執行時，柵欄代碼也會被執行。而G1主要在賦值語句中，使用寫前柵欄(Pre-Write Barrrier)和寫后柵欄(Post-Write Barrrier)。事實上，寫柵欄的指令序列開銷非常昂貴，應用吞吐量也會根據柵欄復雜度而降低。
寫前柵欄 Pre-Write Barrrier
即將執行一段賦值語句時，等式左側對象將修改引用到另一個對象，那么等式左側對象原先引用的對象所在分區將因此喪失一個引用，那么JVM就需要在賦值語句生效之前，記錄喪失引用的對象。JVM并不會立即維護RSet，而是通過批量處理，在將來RSet更新(見SATB)。
寫后柵欄 Post-Write Barrrier
當執行一段賦值語句后，等式右側對象獲取了左側對象的引用，那么等式右側對象所在分區的RSet也應該得到更新。同樣為了降低開銷，寫后柵欄發生后，RSet也不會立即更新，同樣只是記錄此次更新日志，在將來批量處理(見Concurrence Refinement Threads)。
起始快照算法 Snapshot at the beginning (SATB)
Taiichi Tuasa貢獻的增量式完全并發標記算法起始快照算法(SATB)，主要針對標記-清除垃圾收集器的并發標記階段，非常適合G1的分區塊的堆結構，同時解決了CMS的主要煩惱：重新標記暫停時間長帶來的潛在風險。
SATB會創建一個對象圖，相當于堆的邏輯快照，從而確保并發標記階段所有的垃圾對象都能通過快照被鑒別出來。當賦值語句發生時，應用將會改變了它的對象圖，那么JVM需要記錄被覆蓋的對象。因此寫前柵欄會在引用變更前，將值記錄在SATB日志或緩沖區中。每個線程都會獨占一個SATB緩沖區，初始有256條記錄空間。當空間用盡時，線程會分配新的SATB緩沖區繼續使用，而原有的緩沖去則加入全局列表中。最終在并發標記階段，并發標記線程(Concurrent Marking Threads)在標記的同時，還會定期檢查和處理全局緩沖區列表的記錄，然后根據標記位圖分片的標記位，掃描引用字段來更新RSet。此過程又稱為并發標記/SATB寫前柵欄。
并發優化線程 Concurrence Refinement Threads
G1中使用基于Urs H?lzle的快速寫柵欄，將柵欄開銷縮減到2個額外的指令。柵欄將會更新一個card table type的結構來跟蹤代間引用。
當賦值語句發生后，寫后柵欄會先通過G1的過濾技術判斷是否是跨分區的引用更新，并將跨分區更新對象的卡片加入緩沖區序列，即更新日志緩沖區或臟卡片隊列。與SATB類似，一旦日志緩沖區用盡，則分配一個新的日志緩沖區，并將原來的緩沖區加入全局列表中。
并發優化線程(Concurrence Refinement Threads)，只專注掃描日志緩沖區記錄的卡片來維護更新RSet，線程最大數目可通過-XX:G1ConcRefinementThreads(默認等于-XX:ParellelGCThreads)設置。并發優化線程永遠是活躍的，一旦發現全局列表有記錄存在，就開始并發處理。如果記錄增長很快或者來不及處理，那么通過閾值-X:G1ConcRefinementGreenZone/-XX:G1ConcRefinementYellowZone/-XX:G1ConcRefinementRedZone，G1會用分層的方式調度，使更多的線程處理全局列表。如果并發優化線程也不能跟上緩沖區數量，則Mutator線程(Java應用線程)會掛起應用并被加進來幫助處理，直到全部處理完。因此，必須避免此類場景出現。
并發標記周期 Concurrent Marking Cycle
并發標記周期是G1中非常重要的階段，這個階段將會為混合收集周期識別垃圾最多的老年代分區。整個周期完成根標記、識別所有(可能)存活對象，并計算每個分區的活躍度，從而確定GC效率等級。
當達到IHOP閾值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(老年代占整堆比，默認45%)時，便會觸發并發標記周期。整個并發標記周期將由初始標記(Initial Mark)、根分區掃描(Root Region Scanning)、并發標記(Concurrent Marking)、重新標記(Remark)、清除(Cleanup)幾個階段組成。其中，初始標記(隨年輕代收集一起活動)、重新標記、清除是STW的，而并發標記如果來不及標記存活對象，則可能在并發標記過程中，G1又觸發了幾次年輕代收集。
并發標記線程 Concurrent Marking Threads
要標記存活的對象，每個分區都需要創建位圖(Bitmap)信息來存儲標記數據，來確定標記周期內被分配的對象。G1采用了兩個位圖Previous Bitmap、Next Bitmap，來存儲標記數據，Previous位圖存儲上次的標記數據，Next位圖在標記周期內不斷變化更新，同時Previous位圖的標記數據也越來越過時，當標記周期結束后Next位圖便替換Previous位圖，成為上次標記的位圖。同時，每個分區通過頂部開始標記(TAMS)，來記錄已標記過的內存范圍。同樣的，G1使用了兩個頂部開始標記Previous TAMS(PTAMS)、Next TAMS(NTAMS)，記錄已標記的范圍。
在并發標記階段，G1會根據參數-XX:ConcGCThreads(默認GC線程數的1/4，即-XX:ParallelGCThreads/4)，分配并發標記線程(Concurrent Marking Threads)，進行標記活動。每個并發線程一次只掃描一個分區，并通過”手指”指針的方式優化獲取分區。并發標記線程是爆發式的，在給定的時間段拼命干活，然后休息一段時間，再拼命干活。
每個并發標記周期，在初始標記STW的最后，G1會分配一個空的Next位圖和一個指向分區頂部(Top)的NTAMS標記。Previous位圖記錄的上次標記數據，上次的標記位置，即PTAMS，在PTAMS與分區底部(Bottom)的范圍內，所有的存活對象都已被標記。那么，在PTAMS與Top之間的對象都將是隱式存活(Implicitly Live)對象。在并發標記階段，Next位圖吸收了Previous位圖的標記數據，同時每個分區都會有新的對象分配，則Top與NTAMS分離，前往更高的地址空間。在并發標記的一次標記中，并發標記線程將找出NTAMS與PTAMS之間的所有存活對象，將標記數據存儲在Next位圖中。同時，在NTAMS與Top之間的對象即成為已標記對象。如此不斷地更新Next位圖信息，并在清除階段與Previous位圖交換角色。
初始標記 Initial Mark
初始標記(Initial Mark)負責標記所有能被直接可達的根對象(原生棧對象、全局對象、JNI對象)，根是對象圖的起點，因此初始標記需要將Mutator線程(Java應用線程)暫停掉，也就是需要一個STW的時間段。事實上，當達到IHOP閾值時，G1并不會立即發起并發標記周期，而是等待下一次年輕代收集，利用年輕代收集的STW時間段，完成初始標記，這種方式稱為借道(Piggybacking)。在初始標記暫停中，分區的NTAMS都被設置到分區頂部Top，初始標記是并發執行，直到所有的分區處理完。
根分區掃描 Root Region Scanning
在初始標記暫停結束后，年輕代收集也完成的對象復制到Survivor的工作，應用線程開始活躍起來。此時為了保證標記算法的正確性，所有新復制到Survivor分區的對象，都需要被掃描并標記成根，這個過程稱為根分區掃描(Root Region Scanning)，同時掃描的Suvivor分區也被稱為根分區(Root Region)。根分區掃描必須在下一次年輕代垃圾收集啟動前完成(并發標記的過程中，可能會被若干次年輕代垃圾收集打斷)，因為每次GC會產生新的存活對象集合。
并發標記 Concurrent Marking
和應用線程并發執行，并發標記線程在并發標記階段啟動，由參數-XX:ConcGCThreads(默認GC線程數的1/4，即-XX:ParallelGCThreads/4)控制啟動數量，每個線程每次只掃描一個分區，從而標記出存活對象圖。在這一階段會處理Previous/Next標記位圖，掃描標記對象的引用字段。同時，并發標記線程還會定期檢查和處理STAB全局緩沖區列表的記錄，更新對象引用信息。參數-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark會開啟一個優化，如果一個類不可達(不是對象不可達)，則在重新標記階段，這個類就會被直接卸載。所有的標記任務必須在堆滿前就完成掃描，如果并發標記耗時很長，那么有可能在并發標記過程中，又經歷了幾次年輕代收集。如果堆滿前沒有完成標記任務，則會觸發擔保機制，經歷一次長時間的串行Full GC。
存活數據計算 Live Data Accounting
存活數據計算(Live Data Accounting)是標記操作的附加產物，只要一個對象被標記，同時會被計算字節數，并計入分區空間。只有NTAMS以下的對象會被標記和計算，在標記周期的最后，Next位圖將被清空，等待下次標記周期。
重新標記 Remark
重新標記(Remark)是最后一個標記階段。在該階段中，G1需要一個暫停的時間，去處理剩下的SATB日志緩沖區和所有更新，找出所有未被訪問的存活對象，同時安全完成存活數據計算。這個階段也是并行執行的，通過參數-XX:ParallelGCThread可設置GC暫停時可用的GC線程數。同時，引用處理也是重新標記階段的一部分，所有重度使用引用對象(弱引用、軟引用、虛引用、最終引用)的應用都會在引用處理上產生開銷。
清除 Cleanup
緊挨著重新標記階段的清除(Clean)階段也是STW的。Previous/Next標記位圖、以及PTAMS/NTAMS，都會在清除階段交換角色。清除階段主要執行以下操作：
RSet梳理，啟發式算法會根據活躍度和RSet尺寸對分區定義不同等級，同時RSet數理也有助于發現無用的引用。參數-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy可以開啟打印啟發式算法決策細節；
整理堆分區，為混合收集周期識別回收收益高(基于釋放空間和暫停目標)的老年代分區集合；
識別所有空閑分區，即發現無存活對象的分區。該分區可在清除階段直接回收，無需等待下次收集周期。
年輕代收集和混合收集周期，是G1回收空間的主要活動。當應用運行開始時，堆內存可用空間還比較大，只會在年輕代滿時，觸發年輕代收集；隨著老年代內存增長，當到達IHOP閾值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(老年代占整堆比，默認45%)時，G1開始著手準備收集老年代空間。首先經歷并發標記周期，識別出高收益的老年代分區，前文已述。但隨后G1并不會馬上開始一次混合收集，而是讓應用線程先運行一段時間，等待觸發一次年輕代收集。在這次STW中，G1將保準整理混合收集周期。接著再次讓應用線程運行，當接下來的幾次年輕代收集時，將會有老年代分區加入到CSet中，即觸發混合收集，這些連續多次的混合收集稱為混合收集周期(Mixed Collection Cycle)。
GC工作線程數 -XX:ParallelGCThreads
JVM可以通過參數-XX:ParallelGCThreads進行指定GC工作的線程數量。參數-XX:ParallelGCThreads默認值并不是固定的，而是根據當前的CPU資源進行計算。如果用戶沒有指定，且CPU小于等于8，則默認與CPU核數相等；若CPU大于8，則默認JVM會經過計算得到一個小于CPU核數的線程數；當然也可以人工指定與CPU核數相等。
年輕代收集 Young Collection
每次收集過程中，既有并行執行的活動，也有串行執行的活動，但都可以是多線程的。在并行執行的任務中，如果某個任務過重，會導致其他線程在等待某項任務的處理，需要對這些地方進行優化。
并行活動
外部根分區掃描 Ext Root Scanning：此活動對堆外的根(JVM系統目錄、VM數據結構、JNI線程句柄、硬件寄存器、全局變量、線程對棧根)進行掃描，發現那些沒有加入到暫停收集集合CSet中的對象。如果系統目錄(單根)擁有大量加載的類，最終可能其他并行活動結束后，該活動依然沒有結束而帶來的等待時間。
更新已記憶集合 Update RS：并發優化線程會對臟卡片的分區進行掃描更新日志緩沖區來更新RSet，但只會處理全局緩沖列表。作為補充，所有被記錄但是還沒有被優化線程處理的剩余緩沖區，會在該階段處理，變成已處理緩沖區(Processed Buffers)。為了限制花在更新RSet的時間，可以設置暫停占用百分比-XX:G1RSetUpdatingPauseTimePercent(默認10%，即-XX:MaxGCPauseMills/10)。值得注意的是，如果更新日志緩沖區更新的任務不降低，單純地減少RSet的更新時間，會導致暫停中被處理的緩沖區減少，將日志緩沖區更新工作推到并發優化線程上，從而增加對Java應用線程資源的爭奪。
RSet掃描 Scan RS：在收集當前CSet之前，考慮到分區外的引用，必須掃描CSet分區的RSet。如果RSet發生粗化，則會增加RSet的掃描時間。開啟診斷模式-XX:UnlockDiagnosticVMOptions后，通過參數-XX:+G1SummarizeRSetStats可以確定并發優化線程是否能夠及時處理更新日志緩沖區，并提供更多的信息，來幫助為RSet粗化總數提供窗口。參數-XX：G1SummarizeRSetStatsPeriod=n可設置RSet的統計周期，即經歷多少此GC后進行一次統計
代碼根掃描 Code Root Scanning：對代碼根集合進行掃描，掃描JVM編譯后代碼Native Method的引用信息(nmethod掃描)，進行RSet掃描。事實上，只有CSet分區中的RSet有強代碼根時，才會做nmethod掃描，查找對CSet的引用。
轉移和回收 Object Copy：通過選定的CSet以及CSet分區完整的引用集，將執行暫停時間的主要部分：CSet分區存活對象的轉移、CSet分區空間的回收。通過工作竊取機制來負載均衡地選定復制對象的線程，并且復制和掃描對象被轉移的存活對象將拷貝到每個GC線程分配緩沖區GCLAB。G1會通過計算，預測分區復制所花費的時間，從而調整年輕代的尺寸。
終止 Termination：完成上述任務后，如果任務隊列已空，則工作線程會發起終止要求。如果還有其他線程繼續工作，空閑的線程會通過工作竊取機制嘗試幫助其他線程處理。而單獨執行根分區掃描的線程，如果任務過重，最終會晚于終止。
GC外部的并行活動 GC Worker Other：該部分并非GC的活動，而是JVM的活動導致占用了GC暫停時間(例如JNI編譯)。
串行活動
代碼根更新 Code Root Fixup：根據轉移對象更新代碼根。
代碼根清理 Code Root Purge：清理代碼根集合表。
清除全局卡片標記 Clear CT：在任意收集周期會掃描CSet與RSet記錄的PRT，掃描時會在全局卡片表中進行標記，防止重復掃描。在收集周期的最后將會清除全局卡片表中的已掃描標志。
選擇下次收集集合 Choose CSet：該部分主要用于并發標記周期后的年輕代收集、以及混合收集中，在這些收集過程中，由于有老年代候選分區的加入，往往需要對下次收集的范圍做出界定；但單純的年輕代收集中，所有收集的分區都會被收集，不存在選擇。
引用處理 Ref Proc：主要針對軟引用、弱引用、虛引用、final引用、JNI引用。當Ref Proc占用時間過多時，可選擇使用參數-XX:ParallelRefProcEnabled激活多線程引用處理。G1希望應用能小心使用軟引用，因為軟引用會一直占據內存空間直到空間耗盡時被Full GC回收掉；即使未發生Full GC，軟引用對內存的占用，也會導致GC次數的增加。
引用排隊 Ref Enq：此項活動可能會導致RSet的更新，此時會通過記錄日志，將關聯的卡片標記為臟卡片。
卡片重新臟化 Redirty Cards：重新臟化卡片。
回收空閑巨型分區 Humongous Reclaim：G1做了一個優化：通過查看所有根對象以及年輕代分區的RSet，如果確定RSet中巨型對象沒有任何引用，則說明G1發現了一個不可達的巨型對象，該對象分區會被回收。
釋放分區 Free CSet：回收CSet分區的所有空間，并加入到空閑分區中。
其他活動 Other：GC中可能還會經歷其他耗時很小的活動，如修復JNI句柄等。
并發標記周期后的年輕代收集 Young Collection Following Concurrent Marking Cycle
當G1發起并發標記周期之后，并不會馬上開始混合收集。G1會先等待下一次年輕代收集，然后在該收集階段中，確定下次混合收集的CSet(Choose CSet)。
混合收集周期 Mixed Collection Cycle
單次的混合收集與年輕代收集并無二致。根據暫停目標，老年代的分區可能不能一次暫停收集中被處理完，G1會發起連續多次的混合收集，稱為混合收集周期(Mixed Collection Cycle)。G1會計算每次加入到CSet中的分區數量、混合收集進行次數，并且在上次的年輕代收集、以及接下來的混合收集中，G1會確定下次加入CSet的分區集(Choose CSet)，并且確定是否結束混合收集周期。
轉移失敗的擔保機制 Full GC
轉移失敗(Evacuation Failure)是指當G1無法在堆空間中申請新的分區時，G1便會觸發擔保機制，執行一次STW式的、單線程的Full GC。Full GC會對整堆做標記清除和壓縮，最后將只包含純粹的存活對象。參數-XX:G1ReservePercent(默認10%)可以保留空間，來應對晉升模式下的異常情況，最大占用整堆50%，更大也無意義。
G1在以下場景中會觸發Full GC，同時會在日志中記錄to-space-exhausted以及Evacuation Failure：
從年輕代分區拷貝存活對象時，無法找到可用的空閑分區
從老年代分區轉移存活對象時，無法找到可用的空閑分區
分配巨型對象時在老年代無法找到足夠的連續分區
由于G1的應用場合往往堆內存都比較大，所以Full GC的收集代價非常昂貴，應該避免Full GC的發生。
G1是一款非常優秀的垃圾收集器，不僅適合堆內存大的應用，同時也簡化了調優的工作。通過主要的參數初始和最大堆空間、以及最大容忍的GC暫停目標，就能得到不錯的性能；同時，我們也看到G1對內存空間的浪費較高，但通過首先收集盡可能多的垃圾(Garbage First)的設計原則，可以及時發現過期對象，從而讓內存占用處于合理的水平。
