你要的JVM垃圾回收器全在这了

Posted 2021-04-23 Seven的代码实验室

前面我们讲了GC的核心-三色标记算法，在JVM中GC如何判断一个对象是否为垃圾，没看过的小伙伴可以前去回顾一下，本文讲述在对象被判定为垃圾后，接下来由哪些垃圾回收器对它进行清理，马上去片~

传送门：

GC如何判断一个对象是否为垃圾？深度剖析三色标记算法原理

Seven168243，公众号：Seven的代码实验室

HotSpot虚拟机所包含的垃圾回收器

上图展示了7中作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，则说明它们可以搭配使用，虚拟机所处的区域则表示它是属于新生代还是老年代收集器。

• 新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge

• 老年代收集器：CMS、Serial Old、Parallel Old

• 整理收集器：G1，是JDK1.7 Update14这个版本中正式提供的商业收集器，它可以同时适用于新生代和年老代

几个概念

并行收集：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。

并发收集：指用户线程与垃圾收集线程同时工作（不一定是并行的可能会交替执行）。用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行在另一个CPU上。

吞吐量：即CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值（吞吐量 = 运行用户代码时间  /  ( 运行用户代码时间 + 垃圾收集时间 )）。

例如：虚拟机共运行100分钟，垃圾收集器花掉1分钟，那么吞吐量就是99%

Serial 收集器

Serial和Serial Old是JDK诞生之后的第一个垃圾回收器，发展历史最为悠久。

Serial的特点：单线程、简单高效（与其他收集器的单线程相比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。收集器进行垃圾回收时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它结束（Stop The World）。

Stop The World（STW）：JVM在后台自动发起和自动完成的，在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉，即GC停顿，会带给用户不良的体验；

Serial的适用范围：适用于客户的模式下的虚拟机。在用户的桌面应用场景中，可用内存一般不大（几十M至一两百M），可以在较短时间内完成垃圾收集（几十MS至一百多MS）,只要不频繁发生，这是可以接受的。

Serial和Serial Old收集器的运行图示：

可以通过  "-XX:+UseSerialGC" 参数来显式的使用串行垃圾收集器。

ParNew收集器

ParNew收集器其实是Serial收集器的多线程版本。

除了使用多线程外其余行为均和Serial收集器一模一样（参数控制、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等）。

ParNew的特点：多线程、ParNew收集器默认开启的收集线程数与CPU的数量相同，在CPU非常多的环境中，可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。

和Serial收集器一样存在Stop The World问题

ParNew的应该场景：在Server模式下，ParNew收集器是一个非常重要的收集器，因为除Serial外，目前只有它能与CMS收集器配合工作；但在单个CPU环境中，不会比Serail收集器有更好的效果，因为存在线程交互开销。

ParNew/Serial Old组合收集器运行示意图：

参数设置：

•  "-XX:+UseConcMarkSweepGC"：指定使用CMS后，会默认使用ParNew作为新生代收集器；

• "-XX:+UseParNewGC"：强制指定使用ParNew；    

• "-XX:ParallelGCThreads"：指定垃圾收集的线程数量，ParNew默认开启的收集线程与CPU的数量相同；

Parallel Scavenge收集器

如果JVM没有做任何调优的情况下，默认使用的就是Parallel Scavenge和Parallel Old，简称PS+PO。

Parallel Scavenge垃圾收集器因为与吞吐量关系密切，也称为吞吐量收集器（Throughput Collector）。

它的特点：Parallel Scavenge属于新生代收集器也是采用复制算法的收集器，又是并行多线程收集器（与ParNew收集器类似）。

该收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量。还有一个值得关注的点是：GC自适应调节策略（与ParNew收集器最重要的一个区别）

GC自适应调节策略：Parallel Scavenge收集器可设置-XX:+UseAdptiveSizePolicy参数。当开关打开时不需要手动指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRation）、晋升老年代的对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等，虚拟机会根据系统的运行状况收集性能监控信息，动态设置这些参数以提供最优的停顿时间和最高的吞吐量，这种调节方式称为GC的自适应调节策略。

应用场景：

• 高吞吐量为目标，即减少垃圾收集时间，让用户代码获得更长的运行时间；

• 当应用程序运行在具有多个CPU上，对暂停时间没有特别高的要求时，即程序主要在后台进行计算，而不需要与用户进行太多交互；

        例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序；

参数设置：

 Parallel Scavenge收集器提供两个参数用于精确控制吞吐量：

（A）、"-XX:MaxGCPauseMillis"

      控制最大垃圾收集停顿时间，大于0的毫秒数；

      MaxGCPauseMillis设置得稍小，停顿时间可能会缩短，但也可能会使得吞吐量下降；

      因为可能导致垃圾收集发生得更频繁；

（B）、"-XX:GCTimeRatio"

      设置垃圾收集时间占总时间的比率，0<n<100的整数；

      GCTimeRatio相当于设置吞吐量大小；

      垃圾收集执行时间占应用程序执行时间的比例的计算方法是：

      1 / (1 + n)

      例如，选项-XX:GCTimeRatio=19，设置了垃圾收集时间占总时间的5%--1/(1+19)；

      默认值是1%--1/(1+99)，即n=99；

垃圾收集所花费的时间是年轻一代和老年代收集的总时间；

如果没有满足吞吐量目标，则增加年轻代的内存大小以尽量增加用户程序运行的时间；

      此外，还有一个值得关注的参数：

（C）、"-XX:+UseAdptiveSizePolicy"

      开启这个参数后，就不用手工指定一些细节参数，如：

      新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRation）、晋升老年代的对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等；

      JVM会根据当前系统运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数，以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量，这种调节方式称为GC自适应的调节策略（GC Ergonomiscs）；    

      这是一种值得推荐的方式：

      (1)、只需设置好内存数据大小（如"-Xmx"设置最大堆）；

      (2)、然后使用"-XX:MaxGCPauseMillis"或"-XX:GCTimeRatio"给JVM设置一个优化目标；

      (3)、那些具体细节参数的调节就由JVM自适应完成；        

      这也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器一个重要区别；   

上面介绍的都是新生代收集器，接下来开始介绍老年代收集器。

Serial Old 收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它用的是标记-整理算法，用的也是单线程。

应用场景：主要也是使用在Client模式下的虚拟机中。也可在Server模式下使用。

    Server模式下主要的两大用途：

1. 在JDK1.5以及以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用。

2. 作为CMS收集器的后备方案，在并发收集Concurent Mode Failure时使用。

运行示意图：

Parallel Old 收集器

Parallel Old垃圾收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，在JDK1.6中才开始提供。

特点：针对老年代；采用"标记-整理"算法；多线程收集。

应用场景： JDK1.6及之后用来代替老年代的Serial Old收集器；特别是在Server模式，多CPU的情况下；这样在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场景，就有了Parallel Scavenge加Parallel Old收集器的"给力"应用组合；

参数设置： "-XX:+UseParallelOldGC"：指定使用Parallel Old收集器；

运行示意图：

CMS收集器

并发标记清理（Concurrent Mark Sweep，CMS）收集器也称为并发低停顿收集器（Concurrent Low Pause Collector）或低延迟（low-latency）垃圾收集器。

特点：

• 针对老年代；

• 基于"标记-清除"算法(不进行压缩操作，产生内存碎片)；            

• 以获取最短回收停顿时间为目标；

• 并发收集、低停顿；

• 需要更多的内存（看后面的缺点）；

CMS是HotSpot在JDK1.5推出的第一款真正意义上的并发（Concurrent）收集器，第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

应用场景：

• 与用户交互较多的场景；        

• 希望系统停顿时间最短，注重服务的响应速度；

• 以给用户带来较好的体验；

• 如常见WEB、B/S系统的服务器上的应用；

参数设置： "-XX:+UseConcMarkSweepGC"：指定使用CMS收集器；

CMS收集器运作过程： 比前面几种收集器更复杂，可以分为4个步骤。

（A）、初始标记（CMS initial mark）

      仅标记一下GC Roots能直接关联到的对象（根对象）；

      速度很快；

      但需要"Stop The World"；

（B）、并发标记（CMS concurrent mark）

      进行GC Roots Tracing的过程；

      刚才产生的集合中标记出存活对象；

      应用程序也在运行；

      并不能保证可以标记出所有的存活对象；

（C）、重新标记（CMS remark）

      为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记变动的那一部分对象的标记记录；

      需要"Stop The World"，且停顿时间比初始标记稍长，但远比并发标记短；

      采用多线程并行执行来提升效率；

（D）、并发清除（CMS concurrent sweep）

      回收所有的垃圾对象；

整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除都可以与用户线程一起工作，所以总体上说，CMS收集器的内存回收过程与用户线程一起并发执行。

CMS收集器3个明显的缺点：

1. 对CPU资源非常敏感

 并发收集虽然不会暂停用户线程，但因为占用一部分CPU资源，还是会导致应用程序变慢，总吞吐量降低。

CMS的默认收集线程数量是=(CPU数量+3) / 4；

当CPU数量多于4个，收集线程占用的CPU资源多于25%，对用户程序影响可能较大；不足4个时，影响更大，可能无法接受。

 

增量式并发收集器：

      针对这种情况，曾出现了"增量式并发收集器"（Incremental Concurrent Mark Sweep/i-CMS）；

      类似使用抢占式来模拟多任务机制的思想，让收集线程和用户线程交替运行，减少收集线程运行时间；

但效果并不理想，JDK1.6后就官方不再提倡用户使用。

    2.无法处理浮动垃圾,可能出现"Concurrent Mode Failure"失败。

（1）浮动垃圾（Floating Garbage）

在并发清除时，用户线程新产生的垃圾，称为浮动垃圾；

这使得并发清除时需要预留一定的内存空间，不能像其他收集器在老年代几乎填满再进行收集；

      也可以认为CMS所需要的空间比其他垃圾收集器大；

      "-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction"：设置CMS预留内存空间；

      JDK1.5默认值为68%；

      JDK1.6变为大约92%；               

（2）"Concurrent Mode Failure"失败

如果CMS预留内存空间无法满足程序需要，就会出现一次"Concurrent Mode Failure"失败；这时JVM启用后备预案：临时启用Serail Old收集器，而导致另一次Full GC的产生；这样的代价是很大的，所以CMSInitiatingOccupancyFraction不能设置得太大。

    

    3.产生大量内存碎片

由于CMS基于"标记-清除"算法，清除后不进行压缩操作，产生大量不连续的内存碎片会导致分配大内存对象时，无法找到足够的连续内存，从而需要提前触发另一次Full GC动作。

解决方法：                

（1）、"-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection"

      使得CMS出现上面这种情况时不进行Full GC，而开启内存碎片的合并整理过程；

      但合并整理过程无法并发，停顿时间会变长；

      默认开启（但不会进行，结合下面的CMSFullGCsBeforeCompaction）；

（2）、"-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction"

      设置执行多少次不压缩的Full GC后，来一次压缩整理；

      为减少合并整理过程的停顿时间；

      默认为0，也就是说每次都执行Full GC，不会进行压缩整理；

由于空间不再连续，CMS需要使用可用"空闲列表"内存分配方式，这比简单实用"碰撞指针"分配内存消耗大；

CMS收集器

G1（Garbage-First）是JDK7-u4才推出商用的收集器。

G1的特点：

• 并行与并发

      能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势；

      可以并行来缩短"Stop The World"停顿时间；

      也可以并发让垃圾收集与用户程序同时进行；

• 分代收集，收集范围包括新生代和老年代    

      能独立管理整个GC堆（新生代和老年代），而不需要与其他收集器搭配；

      能够采用不同方式处理不同时期的对象；         

      虽然保留分代概念，但Java堆的内存布局有很大差别；

      将整个堆划分为多个大小相等的独立区域（Region）；

      新生代和老年代不再是物理隔离，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合；

• 结合多种垃圾收集算法，空间整合，不产生碎片

      从整体看，是基于标记-整理算法；

      从局部（两个Region间）看，是基于复制算法；

      这是一种类似火车算法的实现；

      都不会产生内存碎片，有利于长时间运行；

• 可预测的停顿：低停顿的同时实现高吞吐量

      G1除了追求低停顿处，还能建立可预测的停顿时间模型；

      可以明确指定M毫秒时间片内，垃圾收集消耗的时间不超过N毫秒；

应用场景：

面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器；

最主要的应用是为需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案；

如：在堆大小约6GB或更大时，可预测的暂停时间可以低于0.5秒；

用来替换掉JDK1.5中的CMS收集器。

在下面的情况时，使用G1可能比CMS好：

      （1）、超过50％的Java堆被活动数据占用；

      （2）、对象分配频率或年代提升频率变化很大；

      （3）、GC停顿时间过长（长于0.5至1秒）。

是否一定采用G1呢？

如果现在采用的收集器没有出现问题，不用急着去选择G1；

如果应用程序追求低停顿，可以尝试选择G1；

是否代替CMS需要实际场景测试才知道。

参数设置：

• "-XX:+UseG1GC"：指定使用G1收集器；

• "-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent"：当整个Java堆的占用率达到参数值时，开始并发标记阶段；默认为45；

• "-XX:MaxGCPauseMillis"：为G1设置暂停时间目标，默认值为200毫秒；

• "-XX:G1HeapRegionSize"：设置每个Region大小，范围1MB到32MB；目标是在最小Java堆时可以拥有约2048个Region；

G1运行示意图：

G1收集器运作过程

不计算维护Remembered Set的操作，可以分为4个步骤（与CMS较为相似）。

（A）、初始标记（Initial Marking）

      仅标记一下GC Roots能直接关联到的对象；

      且修改TAMS（Next Top at Mark Start）,让下一阶段并发运行时，用户程序能在正确可用的Region中创建新对象；

      需要"Stop The World"，但速度很快；

（B）、并发标记（Concurrent Marking）

      进行GC Roots Tracing的过程；

      刚才产生的集合中标记出存活对象；

      耗时较长，但应用程序也在运行；

      并不能保证可以标记出所有的存活对象；

（C）、最终标记（Final Marking）

      为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记变动的那一部分对象的标记记录；

      上一阶段对象的变化记录在线程的Remembered Set Log；

      这里把Remembered Set Log合并到Remembered Set中；

                    

      需要"Stop The World"，且停顿时间比初始标记稍长，但远比并发标记短；

      采用多线程并行执行来提升效率；

（D）、筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）

      首先排序各个Region的回收价值和成本；

      然后根据用户期望的GC停顿时间来制定回收计划；

      最后按计划回收一些价值高的Region中垃圾对象；

                    

      回收时采用"复制"算法，从一个或多个Region复制存活对象到堆上的另一个空的Region，并且在此过程中压缩和释放内存；

      可以并发进行，降低停顿时间，并增加吞吐量；

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到这里，我们大体了解HotSpot虚拟机中的所有垃圾收集器，感谢阅读~

我是Seven，一个不懈努力的程序猿，希望本文能对你有所裨益

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