深入理解JVM——HotSpot垃圾收集器详解

Posted 2020-08-11 Bao_Zi

HotSpot虚拟机提供了多种垃圾收集器，每种收集器都有各自的特点，没有最好的垃圾收集器，只有最适合的垃圾收集器。根据新生代和老年代各自的特点，我们应该分别为它们选择不同的收集器，以提升垃圾回收效率。

新生代垃圾收集器：

1. Serial垃圾收集器

a)        单线程：只开启一条GC线程进行垃圾回收，并且在垃圾回收过程中停止一切用户线程，从而用户的请求或图形化界面会出现卡顿。

b)        适合客户端应用

c)        简单高效：由于Serial收集器只有一条GC线程，因此避免了线程切换的开销，从而简单高效。

d)        采用“复制”算法

1. ParNew垃圾收集器：ParNew是Serial的多线程版本

a)        多线程并行执行：ParNew由多条GC线程并行地进行垃圾清理。但清理过程仍然需要停止一切用户线程。但由于有多条GC线程同时清理，清理速度比Serial有一定的提升。

b)        适合多CPU的服务器环境

c)        采用“复制算法”

d)        追求“降低停顿时间”：和Serial相比，ParNew使用多线程的目的就是缩短垃圾收集时间，从而减少用户线程被停顿的时间。

e)        和Serial的对比：ParNew和Serial唯一的区别就是使用了多线程进行垃圾回收，在多CPU的环境下性能比Serial会有一定程度的提升；但线程切换需要额外的开销，因此在单CPU环境中表现不如Serial。

1. Parallel Scavenge垃圾收集器：Parallel Scavenge和ParNew一样都是多线程、新生代收集器，都使用“复制”算法进行垃圾回收。但它们有个巨大的不同点：ParNew收集器追求降低用户线程的停顿时间，因此适合交互式应用；而Parallel Scavenge追求CPU吞吐量，能够在较短的时间内完成指定任务，因此适合没有交互的后台计算。

a)        什么是吞吐量：吞吐量是指用户线程运行时间占CPU总时间的比例。CPU总时间包括：用户线程运行时间 和 GC线程运行的时间。因此，吞吐量越高表示用户线程运行时间越长，从而用户线程能够被快速处理完。

b)        降低停顿时间的两种方式

                               i.              在多CPU环境中使用多条GC线程，从而垃圾回收的时间减少，从而用户线程停顿的时间也减少

                             ii.              实现GC线程与用户线程并发执行。所谓并发，就是用户线程与GC线程交替执行，从而每次停顿的时间会减少，用户感受到的停顿感降低，但线程之间不断切换意味着需要额外的开销，从而垃圾回收和用户线程的总时间将会延长。

老年代垃圾收集器

1. Serial Old垃圾收集器：

a)        Serial Old收集器是Serial的老年代版本

b)        单线程，在垃圾收集时只启动一条GC线程

c)        适合客户端应用

d)        它们唯一的区别就是Serial Old工作在老年代，使用“标记-整理”算法；而Serial工作在新生代，使用“复制”算法。

1. ParNew Old垃圾收集器：Parallel Old收集器是Parallel Scavenge的老年代版本，一般它们搭配使用，追求CPU吞吐量。它们在垃圾收集时都是由多条GC线程并行执行，并停止一切用户线程。因此，由于在垃圾清理过程中没有使垃圾收集和用户线程并行执行，因此它们是追求吞吐量的垃圾收集器。
2. CMS垃圾收集器：CMS收集器是一款追求停顿时间的老年代收集器，它在垃圾收集时使得用户线程和GC线程并行执行，因此在垃圾收集过程中用户也不会感受到明显的卡顿。但用户线程和GC线程之间不停地切换会有额外的开销，因此垃圾回收总时间就会被延长。
3. CMS的缺点：

a)        吞吐量：由于CMS在垃圾收集过程使用用户线程和GC线程并行执行，从而线程切换会有额外开销，因此CPU吞吐量就不如在垃圾收集过程中停止一切用户线程的方式来的高。

b)        无法处理浮动垃圾，导致频繁的FullGC：由于垃圾清除过程中，用户线程和GC线程并发执行，也就是用户线程仍在执行，那么在执行过程中会产生垃圾，这些垃圾称为“浮动垃圾”。 如果CMS在垃圾清理过程中，用户线程需要在老年代中分配内存时发现空间不足时，就需要再次发起Full GC，而此时CMS正在进行清除工作，因此此时只能由Serial Old临时对老年代进行一次Full GC。

c)        使用标记-清除算法或者是标记-整理算法容易产生碎片空间

通用垃圾收集—G1垃圾收集器：目前为止最牛逼的垃圾收集器

1. G1垃圾收集器的特点：

a)        追求停顿时间

b)        多线程GC

c)        面向服务器端使用

d)        标记-整理和复制算法合并，不会产生碎片内存

e)        可对整个堆内存进行垃圾回收

f)         可以预测停顿时间

1. G1垃圾收集器的内存模型：G1垃圾收集器没有新生代和老年代的概念了，而是将堆划分为一块块独立的Region（区域）。当要进行垃圾收集时，首先估计每个Region中的垃圾数量，每次都从垃圾回收价值最大的Region开始回收，因此可以获得最大的回收效率。
2. Remembered Set：一个对象和它内部所引用的对象可能不在同一个Region中，那么当垃圾回收时，每个Region都有一个Remembered Set，用于记录本区域中所有对象引用的对象所在的区域，从而在进行可达性分析时，只要在GC Roots中再加上Remembered Set即可防止对所有堆内存的遍历。