3、垃圾收集器以及内存分配
前面我们讲了垃圾回收的算法，还需要有具体的实现，在jvm中，实现了多种垃圾收集器，包括：串行垃圾收集器、并行垃圾收集器、CMS（并发）垃圾收集器、G1垃圾收集器，接下来，我们一个个的了解学习。
3.1、串行垃圾收集器
串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。这种现象称之为STW（Stop-The-World）。一般在Javaweb应用中是不会采用该收集器的
3.1.1、编写测试代码
public class TestGC {
public static void main(String[] args) throws Exception {
List<Object> list = new ArrayList<Object>();
while (true){
int sleep = new Random().nextInt(100);
if(System.currentTimeMillis() % 2 ==0){
list.clear();
}else{
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
Properties properties = new Properties();
properties.put("key_"+i, "value_" +
System.currentTimeMillis() + i);
list.add(properties);
}
}
// System.out.println("list大小为：" + list.size());
Thread.sleep(sleep);
}
}
}
3.1.2、设置垃圾回收为串行收集器
# 为了测试GC，将堆的初始和最大内存都设置为16M
‐XX:+UseSerialGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m
启动程序，可以看到下面信息：
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4416K‐>512K(4928K), 0.0046102 secs]
4416K‐>1973K(15872K), 0.0046533 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 10944K‐>3107K(10944K), 0.0085637
secs] 15871K‐>3107K(15872K), [Metaspace: 3496K‐>3496K(1056768K)],
0.0085974 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs]
GC日志信息解读：
年轻代的内存GC前后的大小：
DefNew：表示使用的是串行垃圾收集器。
4416K->512K(4928K)：表示，年轻代 GC前，占有4416K内存，GC后，占有512K内存，总大小4928K
0.0046102 secs：表示， GC所用的时间，单位为毫秒。
4416K->1973K(15872K)：表示， GC前，堆内存占有4416K，GC后，占有1973K，总大小为15872K
Full GC：表示，内存空间全部进行 GC
3.2、并行垃圾收集器
并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收的时间。
3.2.1、ParNew垃圾收集器
ParNew垃圾收集器是工作在年轻代上的，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。通过-XX:+UseParNewGC参数设置年轻代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。
#参数
‐XX:+UseParNewGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m
#打印出的信息
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4416K‐>512K(4928K), 0.0032106 secs]
4416K‐>1988K(15872K), 0.0032697 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
由以上信息可以看出， ParNew: 使用的是ParNew收集器。其他信息和串行收集器一致。
3.2.2、ParallelGC垃圾收集器
ParallelGC 收集器工作机制和ParNewGC收集器一样，只是在此基础之上，新增了两个和系统吞吐量相关的参数，使得其使用起来更加的灵活和高效
相关参数如下：
| 参数 | 作用 |
|---|---|
| -XX:+UseParallelGC | 年轻代使用 ParallelGC垃圾回收器，老年代使用串行回收器 |
| -XX:+UseParallelOldGC | 年轻代使用 ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器 |
| -XX:MaxGCPauseMillis | 设置最大的垃圾收集时的停顿时间，单位为毫秒 |
| -XX:GCTimeRatio | 它的值为 0~100之间的数字，默认值为99，也就是垃圾回收时间不能超过1% |
| -XX:UseAdaptiveSizePolicy | 自适应 GC模式，垃圾回收器将自动调整年轻代、老年代等参数，达到吞吐量、堆大小、停顿时间之间的平衡 |
测试：
#参数
‐XX:+UseParallelGC ‐XX:+UseParallelOldGC ‐XX:MaxGCPauseMillis=100
‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m
#打印的信息
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 4096K‐>480K(4608K)]
4096K‐>1840K(15872K), 0.0034307 secs]
[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 505K‐>0K(4608K)]
[ParOldGen: 10332K‐>10751K(11264K)] 10837K‐>10751K(15872K), [Metaspace: 3491K‐>3491K(1056768K)], 0.0793622 secs]
[Times: user=0.13 sys=0.00, real=0.08secs]
有以上信息可以看出，年轻代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。
3.3 、CMS垃圾收集器
CMS全称 Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，通过参数-XX:+UseConcMarkSweepGC进行设置。
CMS垃圾回收器的执行过程如下：
初始化标记 (CMS-initial-mark) ,标记root，会导致stw；
并发标记 (CMS-concurrent-mark)，与用户线程同时运行
预清理（ CMS-concurrent-preclean），与用户线程同时运行
重新标记 (CMS-remark) ，会导致stw；
并发清除 (CMS-concurrent-sweep)，与用户线程同时运行；
调整堆大小，设置 CMS在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片
并发重置状态等待下次 CMS的触发(CMS-concurrent-reset)，与用户线程同时运行
闲置状态
3.3.1、测试
#设置启动参数
‐XX:+UseConcMarkSweepGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m
#运行日志
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4926K‐>512K(4928K), 0.0041843 secs]
9424K‐>6736K(15872K), 0.0042168 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
#第一步，初始标记
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS‐initial‐mark: 6224K(10944K)] 6824K(15872K),
0.0004209 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第二步，并发标记
[CMS‐concurrent‐mark‐start]
[CMS‐concurrent‐mark: 0.002/0.002 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
#第三步，预处理
[CMS‐concurrent‐preclean‐start]
[CMS‐concurrent‐preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
#第四步，重新标记
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 1657 K (4928 K)][Rescan (parallel)
, 0.0005811 secs][weak refs processing, 0.0000136 secs][class unloading,
0.0003671 secs][scrub symbol table, 0.0006813 secs][scrub string table,
0.0001216 secs][1 CMS‐remark: 6224K(10944K)] 7881K(15872K), 0.0018324
secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第五步，并发清理
[CMS‐concurrent‐sweep‐start]
[CMS‐concurrent‐sweep: 0.004/0.004 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
#第六步，重置
[CMS‐concurrent‐reset‐start]
[CMS‐concurrent‐reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
由以上日志信息，可以看出CMS执行的过程
3.4、G1垃圾收集器（重点）
G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS
G1 的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：
第一步，开启G1垃圾收集器
第二步，设置堆的最大内存
第三步，设置最大的停顿时间
G1中提供了三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC 和 Full GC，在不同的条件下被触发。
3.4.1、原理
G1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域
这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够
在G1中，有一种特殊的区域，叫Humongous区域：
如果一个对象占用的空间超过了分区容量 50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。
这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。
为了解决这个问题， G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC
3.4.2、Young GC
它在Eden空间耗尽时会被触发
Survivor 区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中
最终 Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行
3.4.3、Mixed GC
当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集，即Mixed GC
MixedGC什么时候触发？ 由参数 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 决定。默认：45%，该参数的意思是：当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阀值时触发
3.4.4、G1收集器相关参数
| 参数 | 作用 |
|---|---|
| -XX:+UseG1GC | 使用 G1 垃圾收集器 |
| -XX:MaxGCPauseMillis | 设置期望达到的最大 GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到），默认值是 200 毫秒 |
| -XX:G1HeapRegionSize=n | 设置的 G1 区域的大小。值是 2 的幂，范围是 1 MB 到 32 MB 之间 |
| -XX:ParallelGCThreads=n | 设置 STW 工作线程数的值。将 n 的值设置为逻辑处理器的数量。n 的值与逻辑处理器的数量相同，最多为 8 |
| -XX:ConcGCThreads=n | 设置并行标记的线程数 |
| -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n | 设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认占用率是整个 Java 堆的 45% |
3.4.5、测试
‐XX:+UseG1GC ‐XX:MaxGCPauseMillis=100 ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xmx256m
#日志
[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0044882 secs]
[Parallel Time: 3.7 ms, GC Workers: 3]
[GC Worker Start (ms): Min: 14763.7, Avg: 14763.8, Max: 14763.8,
Diff: 0.1]
#扫描根节点
[Ext Root Scanning (ms): Min: 0.2, Avg: 0.3, Max: 0.3, Diff: 0.1,
Sum: 0.8]
#更新RS区域所消耗的时间
[Update RS (ms): Min: 1.8, Avg: 1.9, Max: 1.9, Diff: 0.2, Sum: 5.6]
[Processed Buffers: Min: 1, Avg: 1.7, Max: 3, Diff: 2, Sum: 5]
[Scan RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
[Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0,
Sum: 0.0]
#对象拷贝
[Object Copy (ms): Min: 1.1, Avg: 1.2, Max: 1.3, Diff: 0.2, Sum:
3.6]
[Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.2, Diff: 0.2, Sum:
0.2]
[Termination Attempts: Min: 1, Avg: 1.0, Max: 1, Diff: 0, Sum:
3]
[GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0,
Sum: 0.0]
[GC Worker Total (ms): Min: 3.4, Avg: 3.4, Max: 3.5, Diff: 0.1,
Sum: 10.3]
[GC Worker End (ms): Min: 14767.2, Avg: 14767.2, Max: 14767.3,
Diff: 0.1]
[Code Root Fixup: 0.0 ms]
[Code Root Purge: 0.0 ms]
[Clear CT: 0.0 ms] #清空CardTable
[Other: 0.7 ms]
[Choose CSet: 0.0 ms] #选取CSet
[Ref Proc: 0.5 ms] #弱引用、软引用的处理耗时
[Ref Enq: 0.0 ms] #弱引用、软引用的入队耗时
[Redirty Cards: 0.0 ms]
[Humongous Register: 0.0 ms] #大对象区域注册耗时
[Humongous Reclaim: 0.0 ms] #大对象区域回收耗时
[Free CSet: 0.0 ms]
[Eden: 7168.0K(7168.0K)‐>0.0B(13.0M) Survivors: 2048.0K‐>2048.0K Heap:
55.5M(192.0M)‐>48.5M(192.0M)] #年轻代的大小统计
[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
3.4.6 、对于G1垃圾收集器优化建议
年轻代大小：避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其他相关选项显式设置年轻代大小
暂停时间目标不要太过严苛：G1 GC 的吞吐量目标是 90% 的应用程序时间和 10%的垃圾回收时间。
4 、可视化GC日志分析工具
4.1、GC日志输出参数
前面通过-XX:+PrintGCDetails可以对GC日志进行打印，我们就可以在控制台查看，这样虽然可以查看GC的信息，但是并不直观，可以借助于第三方的GC日志分析工具进行查看。
在日志打印输出涉及到的参数如下：
‐XX:+PrintGC 输出GC日志
‐XX:+PrintGCDetails 输出GC的详细日志
‐XX:+PrintGCTimeStamps 输出GC的时间戳（以基准时间的形式）
‐XX:+PrintGCDateStamps 输出GC的时间戳（以日期的形式，如 2013‐05‐04T21:53:59.234+0800）
‐XX:+PrintHeapAtGC 在进行GC的前后打印出堆的信息
‐Xloggc:../logs/gc.log 日志文件的输出路径
4.2 、GC Easy 可视化工具
GC Easy是一款在线的可视化工具网站：http://gceasy.io/
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