JVM垃圾回收几种常见算法和常见收集器

Posted 2021-04-17 java技术阅读

上文 我们讲解了需要考虑垃圾回收的内存结构、类型，垃圾回收基础算法和垃圾回收的时机。 接下来我们重点研究下几种常见的垃圾回收算法和垃圾收集器。

I 垃圾回收算法

几种常见的垃圾回收算法：标记——清除算法、复制算法、标记——整理算法和分代回收算法。

标记——清除算法

标记——清除算法 的基本思想跟它的名字一样，分为“标记”和“清除”两个阶段；首先标记（判断对象是否回收需要两次标记，遵循上文提到的原则）出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。

标记——清除算法是几种GC算法中最基础的算法，标记和清除效率不高，产生大量不连续的内存碎片，导致创建大对象时找不到连续的空间。后续的收集算法都是基于这种思想并对其不足进行改进而实现的。

复制算法

将可用内存按容量分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，当这一块的内存用完，就将还存活的对象复制到另外一块内存上，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

复制算法 实现简单，效率高，解决了标记——清除算法内存碎片问题。但是代价太大，内存缩小了一半，效率随对象的存活率升高而降低。

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，但并不是将内存划分为大小相等的两块，而是分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survior 空间，每次使用 Eden 空间和其中一块 Survivor。在回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活着的对象一次性复制到另一块 Survivor 空间上，最后清理 Eden 和 使用过的那一块 Survivor。HotSpot 虚拟机的 Eden 和 Survivor 的大小比例默认为 8:1，保证了内存的利用率达到 90 %。如果每次回收有多于 10% 的对象存活，那么一块 Survivor 空间就不够用了，此时需要依赖于老年代进行分配担保，也就是借用老年代的空间。

标记——整理算法

标记——整理算法 标记过程和标记——清理算法一致，也是基于可达性分析算法。和标记——清理算法不同的是，该算法不是针对可回收对象进行清理，而是根据存活对象进行整理。让存活对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

标记——整理算法不会像复制算法那样随着存活对象的升高而降低效率，不像标记-清除算法那样产生不连续的内存碎片。但是，除了像标记-清除算法的标记过程外，还多了一步整理过程，效率更低。

分代收集算法

分代回收算法 实际上是把复制算法和标记整理法的结合，并不是真正一个新的算法，一般分为：老年代（Old Generation）和新生代（Young Generation），老年代就是很少垃圾需要进行回收的，新生代就是有很多的内存空间需要回收，所以不同代就采用不同的回收算法，以此来达到高效的回收算法。

新生代：由于新生代产生很多临时对象，大量对象需要进行回收，所以采用复制算法是最高效的。

老年代 ：回收的对象很少，都是经过几次标记后都不是可回收的状态转移到老年代的，所以仅有少量对象需要回收，故采用标记清除或者标记整理算法。

I 垃圾收集器

在HotSpot的JVM虚拟机中，有7种垃圾回收器。这其中垃圾回收器也是从一代一代改进来的。当然垃圾回收处理的STW的停顿时间也越来越短。效率越来越高。因为我们的堆中，分了年轻代和老年代。每一个部分中用的内存收集算法是不一样的。针对不同的回收算法就设置了不同的垃圾收集器。

图中展示了7种作用于不同分代的收集器：serial收集器、parNew收集器、parallel scavenge收集器、serial old 收集器、parallel old收集器、cms收集器、g1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。

在介绍7个收集器之前，我们先讲讲几个相关概念

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%。

串行收集器(Serial/Serial old)

串行收集器，顾名思义就是串行的，独占式的垃圾回收器。在新生代使用Serial收集器，在老年代使用Serial old收集器。

Serial：使用在新生代中，采用复制算法，实现相对简单，逻辑处理特别高效，且没有线程切换的开销；

Serial old：使用在老年代中，采用标记——整理算法，由于Serial old通常使用会比Serial垃圾回收更长，在堆空间比较大的运用程序中，一旦Serial old启动，应用程序很可能会因此停顿几秒甚至更长时间。

参数配置：

-XX:+UseSerialGC 表示新生代、老年代都使用串行回收器(上图所示)。

新生代并行收集器(parNew)

ParNew 工作在新生代的垃圾收集器，它只是简单地将串行回收器多线程化。它的回收策略、算法以及参数和串行回收器一样。

ParNew也是独占式的回收器，在收集过程中，应用程序会全部暂停。但由于ParNew使用多线程进行垃圾回收，因此，在并发能力比较强的 CPU 上，它产生的停顿时间要短于串行回收器，而在单 CPU 或者并发能力较弱的系统中，ParNew的效果不会比串行回收器好，由于多线程的压力，它的实际表现很可能比串行回收器差。

配置参数：

• -XX:+UseParNewGC 表示新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器(上图所示)。

• -XX:ParallelGCThreads 指定并行收集器工作时的线程数。一般，最好与 CPU 数量相当，避免过多的线程数影响垃圾收集性能。在默认情况下，当 CPU 数量小于 8 个，ParallelGCThreads 的值等于 CPU 数量，大于 8 个，ParallelGCThreads 的值等于 3+[5*CPU_Count]/8]。

并行回收收集器(parallel scavenge/parallel old)

该类收集器与吞吐量关系密切，目标是达到一个可控制的吞吐量，是一个并行的多线程收集器(与ParNew收集器类似))。 该收集器与ParNew最重要的一个区别是GC自适应调节策略。

Parallel Scavenge：属于新生代收集器采用复制算法的收集器；Parallel old：属于老年代收集器采用标记——整理算法的收集器。

GC自适应调节策略 ： 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，jvm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。

配置参数：

• -XX:+MaxGCPauseMills 设置最大垃圾收集停顿时间，它的值是一个大于 0 的整数。收集器在工作时会调整 Java 堆大小或者其他一些参数，尽可能地把停顿时间控制在 MaxGCPauseMills 以内。如果希望减少停顿时间，而把这个值设置得很小，为了达到预期的停顿时间，JVM 可能会使用一个较小的堆 (一个小堆比一个大堆回收快)，而这将导致垃圾回收变得很频繁，从而增加了垃圾回收总时间，降低了吞吐量。

• -XX:+GCTimeRatio 设置吞吐量大小，它的值是一个 0-100 之间的整数。假设 GCTimeRatio 的值为 n，那么系统将花费不超过 1/(1+n) 的时间用于垃圾收集。比如 GCTimeRatio 等于 19，则系统用于垃圾收集的时间不超过 1/(1+19)=5%。默认情况下，它的取值是 99，即不超过 1%的时间用于垃圾收集。

• -XX:+UseParallelOldGC 在新生代和老生代都使用并行回收收集器，对吞吐量敏感的系统中，可以考虑使用(上图所示)。

• -XX:ParallelGCThreads 也可以用于设置垃圾回收时的线程数量。

垃圾回收篇幅过长，下文继续讲解最后的内容cms收集器和g1收集器。