JVM垃圾回收篇(垃圾回收器基本概述)

Posted 2021-12-09 ProChick

垃圾回收器基本概述

• • 1.垃圾回收器分类
  • 2.垃圾回收器的性能指标
  • 3.垃圾回收器的发展史
  • 4.经典的垃圾回收器

1.垃圾回收器分类

• 按线程数分

  • 串行垃圾回收器
    

    • 串行回收指的是在同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束
    • 在诸如单CPU处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合，串行回收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器
    • 串行回收器默认被应用在JVM的Client模式中，只有在JDK32位的版本中能够开启Client模式

  • 并行垃圾回收器
    

    • 并行收集可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用程序的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式(就是只能运行垃圾回收线程)
    • 在并发能力比较强的CPU上，并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器

• 按工作模式分

  • 并发式垃圾回收器
    

    并发式垃圾回收器中，垃圾回收线程与应用程序线程交替工作，以便减少应用程序的停顿时间

  • 独占式垃圾回收器
    

    独占式垃圾回收器中，会停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收线程执行完全结束为止

• 按碎片处理方式分

  • 压缩式垃圾回收器

    压缩式垃圾回收器中，在垃圾回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的内存碎片

  • 非压缩式垃圾回收器

    非压缩式的垃圾回收器中，在垃圾回收完成后，不进行任何操作，会产生内存碎片

• 按工作区间分

  • 年轻代垃圾回收器
  • 老年代垃圾回收器

2.垃圾回收器的性能指标

• 吞吐量：运行用户代码所用时间占总运行时间的比例
• 收集开销：垃圾收集所用时间与总运行时间的比例
• 暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间
• 收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率
• 内存占用：堆空间所占用的内存大小
• 对象周期：一个对象从诞生到被回收所经历的时间

注意：吞吐量、暂停时间、内存占用三者之间通常最多只能满足其中的两项

• 这三项指标中，暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展，内存占用多些越来越能容忍，硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响，同时也提高了吞吐量。而内存的扩大，对延迟反而带来负面效果，所以增大了暂停的时间
• 在当前的垃圾回收器中最重要的还是：吞吐量、暂停时间

吞吐量和暂停时间对比

• 吞吐量
  • 吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量 = 运行用户代码时间/ (运行用户代码时间+垃圾收集时间)
  • 在高吞吐量情况下，应用程序能容忍较高的暂停时间，那么应用程序有更长的时间基准，快速响应是不必考虑的
  • 吞吐量优先，意味着在单位时间内，STW的时间最短
• 暂停时间
  • “暂停时间”是指一个时间段内应用程序线程暂停，让GC线程执行的状态
  • 暂停时间优先，意味着尽可能让单次STW的时间最短
• 对比
  • 高吞吐量较好，因为这会让应用程序的最终用户感觉只有应用程序线程在做“生产性”工作，所以直觉上，吞吐量越高程序运行越快
  • 低暂停时间较好，因为从最终用户的角度来看不管是GC还是其他原因导致一个应用被挂起始终是不好的，因此，具有低的较大暂停时间是非常重要的，特别是对于交互式应用程序
  • 不幸的是”高吞吐量”和”低暂停时间”是一对相互竞争的目标
  • 如果选择以吞吐量优先，那么必然需要降低内存回收的执行频率，但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收
  • 如果选择以低延迟优先，那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间，也只能频繁地执行内存回收，但这又引起了年轻代内存的缩诚和导致程序吞吐量的下降
  • 所以在现在的垃圾回收器中尽可能的找到一种二者折中的一个办法：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间，也就是说在确定停顿时间范围的一个基础之上，提高程序的吞吐量

3.垃圾回收器的发展史

• 1999年，随着JDK1.3.1的到来，首先出现的是串行方式的Serial GC，它是第一款GC，ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多线程版本
• 2002年2月26日，Parallel GC和Concurrent Mark Sweep GC跟随JDK1.4.2一起发布，Parallel GC在JDK6之后成为HotSpot默认GC
• 2012年，在JDK1.7u4版本中，G1可用
• 2017年，JDK9中G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS
• 2018年3月，JDK10中G1垃圾回收器的并行完整垃圾回收，实现并行性来改善最坏情况下的延迟
• 2018年9月，JDK11发布。引入Epsilon垃圾回收器，又被称为"No一Operate( 无操作 ) "回收器。同时，引入ZGC，一款可伸缩的低延迟垃圾回收器（Experimental）
• 2019年3月，JDK12发布。增强了G1，自动返回未用堆内存给操作系统。同时，引入Shenandoah GC，一款低停顿时间的GC
• 2019年9月，JDK13发布。增强ZGC，自动返回未用堆内存给操作系统
• 2020年3月，JDK14发布。移除CMS垃圾回收器，扩展了ZGC在MacOS和Windows平台上的应用

4.经典的垃圾回收器

• 按工作方式

  • 串行回收器：Serial、Serial Old
  • 并行回收器：ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old
  • 并发回收器：CMS、G1

• 按使用场景

  • 新生代收集器： Serial、 ParNeW、Parallel Scavenge
  • 老年代收集器： Serial Old、 Parallel Old、 CMS
  • 整个堆收集器： G1

• 组合关系
  

  • 两个收集器间有连线，表明它们可以搭配使用，其中Serial Old作为 CMS 出现"Concurrent Mode Failure"失败的后备预案
  • 上图红色虚线表示：在JDK8中将Serial和CMS、 ParNew和Serial Old这两个组合声明为废弃，并在JDK9中完全取消了这些组合的支持
  • 上图绿色虚线表示：在JDK14中，弃用了Parallel Scavenge和SerialOld GC这对组合，并删除了CMS垃圾回收器

• 场景使用选择

  • 如果你想要最小化地使用内存和并行开销，则选择Serial GC、Serial Old GC
  • 如果你想要最大化应用程序的吞吐量，则选择Parallel GC、Parallel Old GC
  • 如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，则选择CMS GC、ParNew GC

• 为什么要有这么多垃圾收集器

  • 因为Java的使用场景很多，移动端、服务器端等等，所以就需要针对不同的场景，提供不同的垃圾收集器，进而提高垃圾收集的性能
  • 虽然我们会对各个收集器进行比较，但并非为了挑选一个最好的收集器出来，因为没有一种垃圾收集器是能够在任何场景下都适用的完美收集器存在，所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器

• 如何查看默认的垃圾收集器

  • 使用运行参数

    # 此参数用来打印当前GC的参数使用情况
    -XX:+PrintCommandLineFlags
    
    # 打印出现如下参数：表明新生代使用Serial GC, 同时老年代使用Serial Old GC
    -XX:+UseSerialGC
    # 打印出现如下参数：标明新生代使用ParNew GC
    -XX:+UseParNewGC
    # 打印出现如下参数：表明新生代使用Parallel GC
    -XX:+UseParallelGC
    # 打印出现如下参数：表明老年代使用CMS GC, 同时年轻代会触发对ParNew的使用
    -XX:+UseConcMarkSweepGC
    

  • 使用CMD命令

    JDK8中

    

    JDK9中