JVM笔记3：Java垃圾收集算法与垃圾收集器

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”算法，即根据对象生命周期的不同，将内存划分几块，一般为新生代和老年代，不同的代根据其特点使用最合适的垃圾收集算法

一，标记-清除算法：

该算法分为“标记”、“清除”2个过程，首先标记需要清除的对象，然后统一清除

这个算法有2个明显的缺点：

1，标记和清除的效率都不高

2，垃圾收集后，内存碎片化严重

 

二，复制算法：

将内存分大小相同的2块，每次只使用其中的一块。当一块中的内存耗光，则将还活着的对象复制到另一块，并清空原先的那一块

这个算法的优缺点都比较明显

优点是实现比较简单，效率也很高，而且没有内存碎片化的问题

缺点是最大的可用内存变为原先的二分之一，估计这谁也受不了

新生代的特点是每次垃圾收集后，依然存活的对象数量很少。如果针对新生代使用该算法，没必要保留二分之一的可用内存

可以将内存按照8:1:1的比例分为一块较大的Eden空间和2个较小的Survivor空间，每次只使用Eden空间和一个Survivor空间，比起原先50%的内存使用率，90%的内存使用率是可以接受的

内存回收时，将依然存活的对象拷贝至另一个Survivor空间，并清空原Survivor空间和Eden空间

按照新生代的特点，依然存活的对象是很少的，但是，如果一个Survivor空间无法提供足够的空间以存放依然存活的对象，该如何处理？答案是去老年代租借点内存用来救急

某些极端情况下，对象存活率有可能为100%，这时需要从老年代申请较多内存

 

三，标记-整理算法

同标记-清除算法的标记部分相同，然后让所有存活对象向一端移动，最后清除掉边界以外的部分

 

一，Serial收集器

新生代收集器，使用复制算法

单线程收集器

虚拟机-client模式下新生代的默认回收器

单线程进行垃圾收集，并且在其进行垃圾收集时，必须暂停其它所有工作线程，直到垃圾收集结束，这一过程（stop the world）由虚拟机在后台自动发起自动完成，会在用户不可见的条件下把用户所有正常工作线程全部停掉。当然如果停顿的时间很短是可以接受的，但是如果每次停顿5分钟，任何人都会崩溃

对于某些客户端程序，新生代占用的内存空间往往很小，此时停顿时间完全可以控制在毫秒级别，因此对于运行在client模式下的虚拟机，Serial收集器是个不错的选择

优点：简单高效（相对于其它收集器运行于单CPU环境下。没有线程分配的开销，可以获得最高的单线程垃圾收集效率）

 

二，ParNew收集器

新生代收集器，使用复制算法

多线程收集器

Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为与Serial收集器完全一样，依然会stop the world

很多虚拟机-server模式下的首选新生代收集器，主要原因是CMS收集器（老年代收集器）只能与Serial收集器或者ParNew收集器配合使用

默认开启的回收线程数与CPU个数相同（现代服务器动辄32个逻辑CPU将会导致ParNew收集器开启32个收集线程，这种情况下最好限制下收集线程个数）

-XX：ParallelGCThreads 多线程垃圾收集器内存回收开启的线程数量

 

三，Parallel Scavenge收集器

新生代收集器，使用复制算法

多线程收集器

该收集器的关注点与其它收集器的关注点不同，其它收集器的目标为尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，该收集器的目标为达到一个可控的吞吐量，吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾回收时间) 

停顿时间短则响应速度快，适合与用户交互比较多的应用；吞吐量大能够最高效的利用CPU时间，尽快完成运算任务，适合后台运算、交互不多的应用

GC拥有自适应调节策略。如果启用该策略，只需要设置好基本参数（-Xmx等），然后设置一个优化目标（最大垃圾收集时间或吞吐量大小），虚拟机会根据当前系统的运行状况收集性能监控信息，动态调整细节参数设置（例如：-XX：SurvivorRatio 新生代中Eden区与Survivor区的大小比率，默认为8，即Eden：survivor=8:1、-XX：PretenureSizeThreshold直接晋升老年代对象大小，超过这个大小的对象将直接在老年代分配，只有Serial和ParNew收集器认识这个参数、-XX：MaxTenuringThreshold 晋升老年代对象年龄，每个对象在坚持过一次Minor GC后对象年龄+1，超过设置数值对象移动至老年代）以提供最合适的停顿时间和最大吞吐量

-XX：MaxGCPauseMillis 最大停顿时间，仅对Parallel Scavenge收集器生效

-XX：GCTimeRatio 吞吐量大小，默认值为99，即1%的GC时间，仅对Parallel Scavenge收集器生效

-XX：+UseAdaptiveSizePolicy 使用GC自适应调节策略

 

四，Serial Old收集器

老年代收集器，使用标记-整理算法

单线程收集器

Serial收集器的老年代版本

作为CMS收集器的后备收集器：当CMS收集器产生Concurrent Mode Failure时，将临时启动Serial Old收集器重新进行老年代的垃圾收集

 

五，Parallel Old收集器

老年代收集器，使用标记-整理算法

多线程收集器

JDK1.6提供，Parallel Scavenge收集器的老年代版本

在注重吞吐量或CPU资源敏感的场合，可以优先考虑Parallel Scavenge收集器 + Parallel Old收集器

 

六，CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

老年代收集器，使用标记-清除算法

多线程并发收集器

以达到最短的垃圾收集挺停顿时间为目标的收集器

该收集器的收集过程分为4个步骤：

1，初始标记 CMS initial mark：该步会stop the world，但耗时非常短，标记GC Root直接关联的对象

2，并发标记 CMS concurrent mark：耗时较长，用户线程可同时运行，标记至GC Root有可达路径的对象

3，重新标记 CMS remark：该步会stop the world，但耗时非常短。由于步骤2用户线程同步运行，此时主要修正因步骤二同步用户线程产生的对象标记变动

4，并发清除 CMS concurrent sweep：耗时较长，用户线程可同时运行

在耗时很长的并发标记阶段和并发清除阶段用户线程和收集线程都可同时工作，故而总体上来说，CMS收集器的内存回收是与用户线程一起并发执行的

虽然收集停顿时间短，但是也有不少缺点：

1，对CPU资源敏感，CMS收集器默认开启的收集线程数为(CPU数量+3)/4，如果CPU数量较少，会占用不少CPU处理资源

2，无法处理浮动垃圾，并且可能产生Concurrent Mode Failure从而导致另一次Full GC。

并发清除时（步骤4），用户线程是可以同时运行的，此时用户线程会产生新的垃圾，这部分垃圾在标记过程之后产生，本次GC已经不能进行标记后清除，只能留到下次GC时处理，被称为浮动垃圾

由于CMS的收集线程执行时，用户线程也是会同时执行的，导致CMS收集器无法像其它老年代收集器那样在老年代内存几乎耗尽时在进行GC，必须为用户线程预留部分内存（默认使用68%内存就会开启收集过程），如果预留内存无法满足用户线程的执行，将会出现Concurrent Mode Failure，此时虚拟机将会启动备用方案，调用Serial Old收集器执行一次Full GC，这将导致较长的收集停顿

-XX：CMSInitiationgOccupancyFraction 设置GC触发的百分比，默认为68%，太高会导致过多的Concurrent Mode Failure，太低则影响性能，仅对CMS收集器生效

3，由于采用标记-清除算法实现，会产生内存碎片

-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后提供内存整理，该过程是无法并发的，会导致性能下降，仅对CMS收集器生效

-XX：+CMSFullGCsBeforeCompation 设置进行完几次不进行压缩的Full GC后，进行一次附带压缩的Full GC，仅对CMS收集器生效

 

七，G1（Garbage First）收集器（前瞻）

使用标记-整理算法，不会产生内存碎片

可以非常精确的设定垃圾收集停顿时间：在一个长度为X毫秒的时间片内，垃圾收集最多消耗Y毫秒（比起Parallel Scavenge收集器单纯的一个最大停顿时间，真是精确太多了）

不同于其它收集器的收集范围为整个新生代或老年带，G1收集器将堆（包括新生代以及老年带）分为多个大小固定的区域，跟踪区域中的垃圾堆积情况并在后台维护一个优先级列表，每次根据允许的垃圾收集时间优先收集优先级最高的区域，这样可以保证在在有限的时间内获得最高的收集效率

 

收集器的组合使用：

-XX:+UseSerialGC 使用Serial+Serial Old的收集器组合

-XX:+UseParNewGC 使用ParNew+Serial Old的收集器组合

-XX:+UseConcMarkSweepGC 使用ParNew+CMS（Serial Old）的收集器组合

-XX:+UseParallelGC 使用Parallel Scavenge+Serial Old的收集器组合

-XX:+UseParallelOldGC 使用Parallel Scavenge+Parallel Old的收集器组合

 

PS：

Minor GC : 发生在新生代的GC，非常频繁，速度很快

Full GC/Major GC :发生在老年代的GC，一般会比Minor慢10倍以上