jvm中的垃圾回收器

经典垃圾收集器

Serial 收集器

这个收集器是一个单线程工作的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅是说明它只会使用一个处理器或一条收集线程去完成垃圾收集工作，必须暂停其他所有工作线程，直到它收集结束。

ParNew 收集器

ParNew 收集器实质上是 Serial 收集器的多线程并行版本，除了同时使用多条线程进行垃圾收集之外，其余的行为包括 Serial 收集器可用的所有控制参数（例如：-XX：SurvivorRatio、-XX： PretenureSizeThreshold、-XX：HandlePromotionFailure 等）

Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge 收集器也是一款新生代收集器，它是基于标记-复制算法实现的收集器，Parallel Scavenge 收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。

Parallel Scavenge 收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集停顿时间的-XX：MaxGCPauseMillis 参数以及直接设置吞吐量大小的-XX：
GCTimeRatio 参数。
XX：MaxGCPauseMillis 参数允许的值是一个大于 0 的毫秒数，收集器将尽力保证内存回收花费的时间不超过用户设定值。垃圾收集停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间为代价换取的：系统把新生代调得小一些，收集 300MB 新生代肯定比收集 500MB 快，但这也直接导致垃圾收集发生得更频繁，原来 10 秒收集一次、每次停顿 100 毫秒，现在变成 5 秒收集一次、每次停顿 70 毫秒。停顿时间的确在下降，但吞吐量也降下来了。

-XX：GCTimeRatio 参数的值则应当是一个大于 0 小于 100 的整数，也就是垃圾收集时间占总时间的比率，相当于吞吐量的倒数。譬如把此参数设置为 19，那允许的最大垃圾收集时间就占总时间的 5%（即 1/(1+19)），默认值为 99，即允许最大 1%（即1/(1+99)）的垃圾收集时间。

Parallel Scavenge 收集器还有一个参数-XX：+UseAdaptiveSizePolicy 值得我们关注。这是一个开关参数，当这个参数被激活之后，就不需要人工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden 与Survivor 区的比例（-XX：SurvivorRatio）、晋升老年代对象大小（-XX：PretenureSizeThreshold）

Serial Old 收集器

Serial Old 是 Serial 收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用标记整理算法。这个收集器的主要意义也是供客户端模式下的 HotSpot 虚拟机使用。如果在服务端模式下，它也可能有两种用途：一种是在 JDK 5 以及之前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用，另外一种就是作为 CMS 收集器发生失败时的后备预案，在并发收集发生 Concurrent Mode Failure 时使用。

Parallel Old 收集器

Parallel Old 是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本，支持多线程并发收集，基于标记-整理算法实现。都可以优先考虑 Parallel Scavenge 加 Parallel Old 收集器这个组合。

CMS 收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。

• 初始标记（CMS initial mark）
• 并发标记（CMS concurrent mark）
• 重新标记（CMS remark）
• 并发清除（CMS concurrent sweep）

初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。初始标记仅仅只是标记一下 GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快；并发标记阶段就是从 GC Roots 的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发运行；而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，最后是并发清除阶段，清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的。由于在整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除阶段中，垃圾收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以从总体上来说，CMS 收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

cms收集器缺点

1. 面向并发设计的程序都对处理器资源比较敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但却会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，降低总吞吐量。CMS 默认启动的回收线程数是（处理器核心数量+3）/4，也就是说，如果处理器核心数在四个或以上，并发回收时垃圾收集线程只占用不超过 25%的处理器运算资源，并且会随着处理器核心数量的增加而下降。但是当处理器核心数量不足四个时， CMS 对用户程序的影响就可能变得很大。

2. 由于 CMS 收集器无法处理“浮动垃圾”（Floating Garbage），有可能出现“Con-current Mode Failure”失败进而导致另一次完全“Stop The World”的 Full GC 的产生。在 CMS 的并发标记和并发清理阶段，用户线程是还在继续运行的，程序在运行自然就还会伴随有新的垃圾对象不断产生，但这一部分垃圾对象是出现在标记过程结束以后，CMS 无法在当次收集中处理掉它们，只好留待下一次垃圾收集时再清理掉。这一分垃圾就称为“浮动垃圾”。同样也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要持续运行，那就还需要预留足够内存空间提供给用户线程使用，因此 CMS 收集器不能像其他收集器那样等待到老年代几乎完全被填满了再进行收集，必须预留一部分空间供并发收集时的程序运作使用。

3. CMS 是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，到这意味着收集结束时会有大量空间碎片产生。空间碎片过多时，将会给大对象分配带来很大麻烦，往往会出现老年代还有很多剩余空间，但就是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，而不得不提前触发一次 Full GC 的情况。

Garbage First 收集器

Garbage First（简称 G1）收集器是垃圾收集器技术发展历史上的里程碑式的成果，它开创了收集器面向局部收集的设计思路和基于 Region 的内存布局形式

G1 开创的基于 Region 的堆内存布局是它能够实现这个目标的关键。虽然 G1 也仍是遵循分代收集理论设计的，但其堆内存的布局与其他收集器有非常明显的差异：G1不再坚持固定大小以及固定数量的分代区域划分，而是把连续的 Java 堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），每一个 Region 都可以根据需要，扮演新生代的 Eden 空间、Survivor 空间，或者老年代空间。收集器能够对扮演不同角色的 Region 采用不同的策略去处理，这样无论是新创建的对象还是已经存活了一段时间、熬过多次收集的旧对象都能获取很好的收集效果。

Region 中还有一类特殊的 Humongous 区域，专门用来存储大对象。G1 认为只要大小超过了一个 Region 容量一半的对象即可判定为大对象。每个 Region 的大小可以通过参数-XX：G1HeapRegionSize 设定，取值范围为1MB～32MB。而对于那些超过了整个 Region 容量的超级大对象，将会被存放在 N 个连续的 Humongous Region 之中，G1 的大多数行为都把Humongous Region 作为老年代的一部分来进行看待.虽然 G1 仍然保留新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是固定的了，它们都是一系列区域（不需要连续）的动态集合。G1 收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它将 Region 作为单次回收的最小单元，即每次收集到的内存空间都是 Region 大小的整数倍，这样可以有计划地避免在整个 Java 堆中进行全区域的垃圾收集。更具体的处理思路是让 G1 收集器去跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的“价值”大小，价值即回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值，然后在后台维护一个优先级列表，每次根据用户设定允许的收集停顿时间（使用参数-XX：MaxGCPauseMillis指定，默认值是 200 毫秒），优先处理回收价值收益最大的那些 Region，这也就是“Garbage First”名字的由来。这种使用 Region 划分内存空间，以及具有优先级的区域回收方式，保证了 G1 收集器在有限的时间内获取尽可能高的收集效率。

我们不去计算用户线程运行过程中的动作（如使用写屏障维护记忆集的操作），G1 收集器的运作过程大致可划分为以下四个步骤：

• 初始标记（Initial Marking）：仅仅只是标记一下 GC Roots 能直接关联到的对象，并且修改 TAMS 指针的值，让下一阶段用户线程并发运行时，能正确地在可用的Region 中分配新对象。这个阶段需要停顿线程，但耗时很短，而且是借用进行 Minor GC 的时候同步完成的，所以 G1 收集器在这个阶段实际并没有额外的停顿。

• 并发标记（Concurrent Marking）：从 GC Root 开始对堆中对象进行可达性分析，递归扫描整个堆里的对象图，找出要回收的对象，这阶段耗时较长，但可与用户程序并行。当对象图扫描完成以后，还要重新处理 SATB 记录下的在并发时有引用变动的对象。

• 最终标记（Final Marking）：对用户线程做另一个短暂的暂停，用于处理并发阶段结束后仍遗留下来的最后那少量的 SATB 记录。

• 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：负责更新 Region 的统计数据，对各个 Region 的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的停顿时间来制定回划，可以自由选择任意多个 Region 构成回收集，然后把决定回收的那一部分 Region 的活对象复制到空的Region中，再清理掉整个旧 Region 的全部空间。这里的操作涉及对象的移动，是必须暂停用户线程，由多条收集器线程并行完成的。

低延迟垃圾收集器

Shenandoah 收集器

• 初始标记（Initial Marking）：与 G1 一样，首先标记与 GC Roots 直接关联的对象，这个阶段仍是“Stop The World”的，但停顿时间与堆大小无关，只与 GC Roots 的数量相关。

• 并发标记（Concurrent Marking）：与 G1 一样，遍历对象图，标记出全部可达的对
  象，这个阶段是与用户线程一起并发的，时间长短取决于堆中存活对象的数量以及对象图的结构复杂程度。

• 最终标记（Final Marking）：与 G1 一样，处理剩余的 SATB 扫描，并在这个阶段统
  计出回收价值最高的 Region，将这些 Region 构成一组回收集（Collection Set）。最终标记阶段也会有一小段短暂的停顿。

• 并发清理（Concurrent Cleanup）：这个阶段用于清理那些整个区域内连一个存活对
  象都没有找到的 Region（这类 Region 被称为 Immediate Garbage Region）。

• 并发回收（Concurrent Evacuation）：在这个阶段，Shenandoah 要把回收集里面的存活对象先复制一份到其他未被使用的 Region 之中。复制对象这件事情如果将用户线程冻结起来再做那是相当简单的，但如果两者必须要同时并发进行的话，就变得复杂起来了。其困难点是在移动对象的同时，用户线程仍然可能不停对被移动的对象进行读写访问，移动对象是一次性的行为，但移动之后整个内存中所有指向该对象的引用都还是旧对象的地址，这是很难一瞬间全部改变过来的。对于并发回收阶段遇到的这些困难，Shenandoah 将会通过读屏障和被称为“Brooks Pointers”的转发指针来解决。并发回收阶段运行的时间长短取决于回收集的大小。

• 初始引用更新（Initial Update Reference）：并发回收阶段复制对象结束后，还需要把堆中所有指向旧对象的引用修正到复制后的新地址，这个操作称为引用更新。引用更新的初始化阶段实际上并未做什么具体的处理，设立这个阶段只是为了建立一个线程集合点，确保所有并发回收阶段中进行的收集器线程都已完成分配给它们的对象移动任务而已。初始引用更新时间很短，会产生一个非常短暂的停顿。

• 并发引用更新（Concurrent Update Reference）：真正开始进行引用更新操作，这个阶段是与用户线程一起并发的，时间长短取决于内存中涉及的引用数量的多少。并发引用更新与并发标记不同，它不再需要沿着对象图来搜索，只需要按照内存物理地址的顺序，线性地搜索出引用类型，把旧值改为新值即可。

• 最终引用更新（Final Update Reference）：解决了堆中的引用更新后，还要修正存在于 GC Roots 中的引用。这个阶段是 Shenandoah 的最后一次停顿，停顿时间只与GC Roots 的数量相关。

• 并发清理（Concurrent Cleanup）：经过并发回收和引用更新之后，整个回收集中所有的 Region 已再无存活对象，这些 Region 都变成 Immediate Garbage Regions 了，最后再调用一次并发清理过程来回收这些 Region 的内存空间，供以后新对象分配使用。
  

ZGC 收集器

首先从 ZGC 的内存布局说起。与 Shenandoah 和 G1 一样，ZGC 也采用基于 Region的堆内存布局，但与它们不同的是，ZGC 的 Region（在一些官方资料中将它称为 Page或者 ZPage，本章为行文一致继续称为 Region）具有动态性——动态创建和销毁，以及动态的区域容量大小。在 x64 硬件平台下，ZGC 的 Region 所示的大、中、小三类容量：

• 小型 Region（Small Region）：容量固定为 2MB，用于放置小于 256KB 的小对象。
• 中型 Region（Medium Region）：容量固定为 32MB，用于放置大于等于 256KB 但小于 4MB 的对象。
• 大型 Region（Large Region）：容量不固定，可以动态变化，但必须为 2MB 的整数倍，用于放置 4MB 或以上的大对象

ZGC 的染色指针技术，继续盯上了这剩下的 46 位指针宽度，将其高 4 位提取出来存储四个标志信息。通过这些标志位，虚拟机可以直接从指针中看到其引用对象的三色标记状态、是否进入了重分配集（即被移动过）、是否只能通过 finalize()方法才能被访问到，当然，由于这些标志位进一步压缩了原本就只有 46 位的地址空间，也直接导致 ZGC 能够管理的内存不可以超过 4TB（2 的 42 次幂）

• 染色指针可以使得一旦某个 Region 的存活对象被移走之后，这个 Region 立即就能够被释放和重用掉，而不必等待整个堆中所有指向该 Region 的引用都被修正后才能清理。这点相比起 Shenandoah 是一个颇大的优势，使得理论上只要还有一个空闲Region，ZGC 就能完成收集，而 Shenandoah 需要等到引用更新阶段结束以后才能释放回收集中的Region，这意味着堆中几乎所有对象都存活的极端情况，需要 1∶1 复制对象到新 Region 的话，就必须要有一半的空闲 Region 来完成收集。

• 染色指针可以大幅减少在垃圾收集过程中内存屏障的使用数量，设置内存屏障，尤其是写屏障的目的通常是为了记录对象引用的变动情况，如果将这些信息直接维护在指针中，显然就可以省去一些专门的记录操作。实际上，到目前为止 ZGC 都并未使用任何写屏障，只使用了读屏障（一部分是染色指针的功劳，一部分是 ZGC 现在还不支持分代收集，天然就没有跨代引用的问题）

• 染色指针可以作为一种可扩展的存储结构用来记录更多与对象标记、重定位过程相关的数据，以便日后进一步提高性能。

Linux/x86-64 平台上的 ZGC 使用了多重映射（Multi-Mapping）将多个不同的虚拟内存地址映射到同一个物理内存地址上，这是一种多对一映射，意味着 ZGC 在虚拟内存中看到的地址空间要比实际的堆内存容量来得更大。把染色指针中的标志位看作是地址的分段符，那只要将这些不同的地址段都映射到同一个物理内存空间，经过多重映射转后，就可以使用染色指针正常进行寻址了

• 并发标记（Concurrent Mark）：与 G1、Shenandoah 不同的是，ZGC 的标记是在指针上而不是在对象上进行的，标记阶段会更新染色指针中的 Marked 0、Marked 1 标志位。

• 并发预备重分配（Concurrent Prepare for Relocate）：这个阶段需要根据特定的查询条件统计得出本次收集过程要清理哪些 Region，将这些 Region 组成重分配集（Relocation Set）。重分配集与 G1 收集器的回收集（Collection Set）还是有区别的，ZGC 划分 Region 的目的并非为了像 G1 那样做收益优先的增量回收。相反，ZGC 每次回收都会扫描所有的 Region，用范围更大的扫描成本换取省去 G1 中记忆集的维护成本。因此，ZGC 的重分配集只是决定了里面的存活对象会被重新复制到其他的 Region中，里面的 Region 会被释放，而并不能说回收行为就只是针对这个集合里面的 Region进行，因为标记过程是针对全堆的。此外，在 JDK 12 的 ZGC 中开始支持的类卸载以及弱引用的处理，也是在这个阶段中完成的。

• 并发重分配（Concurrent Relocate）：重分配是 ZGC 执行过程中的核心阶段，这个过程要把重分配集中的存活对象复制到新的 Region 上，并为重分配集中的每个 Region
  维护一个转发表（Forward Table），记录从旧对象到新对象的转向关系。得益于染色指针的支持，ZGC 收集器能仅从引用上就明确得知一个对象是否处于重分配集之中，如果用户线程此时并发访问了位于重分配集中的对象，这次访问将会被预置的内存屏障所截获，然后立即根据 Region 上的转发表记录将访问转发到新复制的对象上，并同时修正更新该引用的值，使其直接指向新对象，ZGC 将这种行为称为指针的“自愈”（SelfHealing）能力。这样做的好处是只有第一次访问旧对象会陷入转发，也就是只慢一次，对比 Shenandoah 的 Brooks 转发指针，那是每次对象访问都必须付出的固定开销，因此 ZGC 对用户程序的运行时负载要比 Shenandoah 来得更低一些。还有另外一个直接的好处是由于染色指针的存在，一旦重分配集中某个 Region 的存活对象都复制完毕后，这个 Region 就可以立即释放用于新对象的分配（但是转发表还得留着不能释放掉），哪怕堆中还有很多指向这个对象的未更新指针也没有关系，这些旧指针一旦被使用，它们都是可以自愈的。

• 并发重映射（Concurrent Remap）：重映射所做的就是修正整个堆中指向重分配集中旧对象的所有引用，这一点从目标角度看是与 Shenandoah 并发引用更新阶段一样的，但是 ZGC 的并发重映射并不是一个必须要“迫切”去完成的任务，因为前面说过，即使是旧引用，它也是可以自愈的，最多只是第一次使用时多一次转发和修正操作。重映射清理这些旧引用的主要目的是为了不变慢（还有清理结束后可以释放转发表这样的附带收益），所以说这并不是很“迫切”。因此，ZGC 很巧妙地把并发重映射阶段要做的工作，合并到了下一次垃圾收集循环中的并发标记阶段里去完成，反正它们都是要遍历所有对象的，这样合并就节省了一次遍历对象图的开销。一旦所有指针都被修正之后，原来记录新旧对象关系的转发表就可以释放掉了。

ZGC 的这种选择也限制了它能承受的对象分配速率不会太高，可以想象以下场景来理解 ZGC 的这个劣势：ZGC 准备要对一个很大的堆做一次完整的并发收集，假设其全过程要持续十分钟以上，在这段时间里面，由于应用的对象分配速率很高，将创造大量的新对象，这些新对象很难进入当次收集的标记范围，通常就只能全部当作存活对象来看待——尽管其中绝大部分对象都是朝生夕灭的，这就产生了大量的浮动垃圾。如果这种高速分配持续维持的话，每一次完整的并发收集周期都会很长，回收到的内存空间持续小于期间并发产生的浮动垃圾所占的空间，堆中剩余可腾挪的空间就越来越小了。目前唯一的办法就是尽可能地增加堆容量大小，获得更多喘息的时间。但是若要从根本上提升 ZGC 能够应对的对象分配速率，还是需要引入分代收集，让新生对象都在一个专门的区域中创建，然后专门针对这个区域进行更频繁、更快的收集。

ZGC 还有一个常在技术资料上被提及的优点是支持“NUMA-Aware”的内存分配。NUMA（Non-Uniform Memory Access，非统一内存访问架构）是一种为多处理器或者多核处理器的计算机所设计的内存架构。由于摩尔定律逐渐失效，现代处理器因频率发展受限转而向多核方向发展，以前原本在北桥芯片中的内存控制器也被集成到了处理器内核中，这样每个处理器核心所在的裸晶（DIE）都有属于自己内存管理器所管理的内存，如果要访问被其他处理器核心管理的内存，就必须通过 Inter-Connect 通道来完成，这要比访问处理器的本地内存慢得多。在 NUMA 架构下，ZGC 收集器会优先尝试在请求线程当前所处的处理器的本地内存上分配对象，以保证高效内存访问。在 ZGC之前的收集器就只有针对吞吐量设计的 Parallel Scavenge 支持 NUMA 内存分配，如今ZGC 也成为另外一个选择。