jvm之垃圾回收器

1.GC分类与性能指标

垃圾收集器没有在规范中进行过多的规定，可以有不同的厂商、不同版本的JVM来实现。由于JDK的版本处于高速迭代过程中，因此Java发展至今已经衍生了众多的GC版本。从不同角度分析垃圾收集器，可以将GC为不同的类型。

按线程数分，可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。

 串行回收指的是在同一个时间段内只允许一个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。与串行回收相反，并行收集可以运行多个cpu同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收与串行回收一样，采用独占式，使用了“Stop-the-world”机制。

按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少程序的提顿时间。独占式垃圾回收器一旦运行，就停止应用程序的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。

按照碎片处理方式分，可以分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。

按照工作的内存区间分，又可以分为年轻代垃圾回收器和老年垃圾回收器。

评估GC的性能指标：

①吞吐量：运行用户代码的时间占比例总运行时间的比例（总运行时间：程序的运行时间+内存回收的时间）。

②暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂替的时间。

③内存占用：Java堆区占的内存大小。

④回收频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。

⑤快速：一个对象从诞生到回收经历的时间。

低暂停时间（低延迟）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。这取决于应用程序的类型，有时候甚至短暂的200毫秒暂替都可能打断终端用户体验，因此，具有低较大暂停时间是非常重要的，特别是对于一个交互式应用程序。

2.不同的垃圾回收器概述

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

 新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge；

老年代收集器：Serial old、Parallel old、CMS

整堆收集器：G1

 垃圾收集器组合关系

 ①两个收集器有连线，表明它们可以搭配使用：Serial/Serial old、ParNew/Serial old、ParNew/CMS、Parallel Scavenge/Serial old、Parallel Scavenge/Parallel old、G1；

②其中Serial old作为CMS出现“Concurrent ModeFailure”失败的后备预案。

③（红线虚线）由于维护和兼容性测试的成本，在JDK8时将Serial+CMS、ParNew+Serial Old这两个组合声明为废弃，并且在JDK 9中完全取消了这些组合的支持，即移除。

④（绿色虚线）JDK14中：弃用Parallel Scavenge和SerialOld GC组合。

⑤（青色虚线）JDK 14中：删除CMS垃圾回收器。

虽然我们会对各个收集器进行比较，但是并非为了挑选一个更好的收集器出来。没有一种放之四海皆准、任何场景下都适用的完美收集器存在，更加没有万能的收集器。所以我们选择对具体应用最适合的收集器。-XX:+PrintCommandLineFlags:查看命令行相关参数（包含使用的垃圾回收器），使用命令行指令：jinfo -flag 相关垃圾回收器参数  进程ID

3.Serial回收器：串行回收

Serial收集器在jdk1.3之前回收新生代唯一的选择，作为HotSpot中Client模式的默认新生代垃圾收集器，采用复制算法、串行回收和“Stop-the-World”机制的方法执行内存回收。

除了年轻代之外，Serial收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial old收集器。Serial old收集器同样也采用了串行和“Stop the World”机制，只不过内存算法使用的是标记-压缩算法。

Serial old 在Server模式下主要有两个用途：①与新生代的Parallel Scavenge配合使用。②作为老年代CMS收集器的后备垃圾收集方案 。

这个 收集器是一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个cpu或一条收集线程去完成收集工作。更重要的是它在进行垃圾回收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。在HotSpot虚拟机中，使用-XX:+UseSerialGC参数可以指定年轻代和老年代都使用串行回收集器。

现在已经不用串行的了，而且在限定单核cpu才可以用，现在都不是单核的了。对于交互较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能接受的，一般在Java web应用程序是不会采用垃圾收集器的。

4.ParNew回收器：并行回收

如果说Serial GC是年轻代的单线程垃圾收集器，那么ParNew收集器则是Serial收集器的多线程版本，Par是Parallel的缩写，New：只能处理的是新生代。

ParNew收集器除了采用并行回收的方式执行内存外，两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、“Stop -the-World”机制，它是很多JVM运行在Sever模式下新生代的默认收集器。

 对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。（cpu并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源）

在程序中，开发人员可以通过选项“-XX:UseParNewGC”手动指定使用ParNew收集器执行内存回收任务。它表示年轻使用并行收集器，不影响老年代。

5.Parallel回收器：吞吐量优先

Parallel收集器同样也采用复制算法、“Stop -the-World”机制，它的目标则是达到一个可控的吞吐量，它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器，自适应调用策略也是Parallel Scavenge与ParNew一个重要区别。

Parallel old收集器采用标记压缩算法，但同样也是并行回收和“Stop -the-World”机制，用来代替Serial old收集器。

参数配置：

-XX:+UseParallelGC  手动指定年轻使用Parallel并行收集器内存回收任务。

-XX:+UseParalleloldGC  手动指定老年代使用并行回收收集器。 

-XX:ParallelGCThreads  设置年轻代并行收集的线程数。一般地，最好与cpu数量相等，以避免过多的线程数影响垃圾收集性能。

-XX:MaxGCPauseMillis设置收集器最大停顿时间（即STW的时间），单位是毫秒。

-XX:GCTimeRatio垃圾收集时间的比例（=1/(N+1)。用于衡量吞吐量的大小。

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy设置Parallel Scavenge收集器具有自适应调节策略。

6.CMS回收器：低延迟

这款收集器是HotSpot虚拟机中真正意义上的并发收集器，它是第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作。

CMS收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，停顿时越短（低延迟）就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。它采用的收集算法是标记-清除算法，并且也会“Stop-the-world”。

 上述过程：

①初始标记阶段：这个阶段中，程序中所有的工作线程都将会“Stop -the-World”机制而出现短暂的暂停，这个阶段的主要任务仅仅是标记出GC Roots能直接关联对象。一旦标记完成之后就会恢复之前的所有的短暂的所有应的线程。由于直接关联对象较小，所以这里的速度非常块。

②并发标记阶段：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不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发运行。

③重新标记阶段：由于并发标记中，程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或交叉运行，因此为了修正并发期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的哪一部分对象的标记记录，这个阶段的的停顿时间通常会比初始标记阶段稍长一些，但也远比并发标记阶段的时间短。

④并发清除阶段：此阶段清理删除标记阶段判断已经死亡的对象，释放内存空间。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。

由于最耗费时间的并发标记与清除阶段都不需要暂停工作，所以整体的回收是低停顿的，它是当堆内存使用率达到某一阈值时，便开始进行回收，以确保应用程序在CMS工作过程依然有足够的空间支持应用程序运行。

优点：并发收集、低延迟。

弊端：①会产生内存碎片，导致并发清除，用户线程可用的空间不足。无法分配大对象的情况下不得不提前触发Full GC。

②CMS收集器对cpu资源非常敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户停顿，但是因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。

③CMS收集器无法处理浮动垃圾。在并发标记阶段由于程序的工作线程和垃圾收集线程是同时运行或者交叉运行，那么在并发标记阶段如果产生新的垃圾和对象，CMS将无法对这些垃圾对象进行标记，最终会导致这些产生的垃圾没有被及时回收，从而只能在下一次执行GC时释放这些之前未被回收的内存空间。

参数设置：

   -XX:+UserConcMarkSweepGC手动指定使用CMS收集器执行内存回收任务。

   -XX:CMSInitiatingOccupanyFraction设置堆内存使用率的阈值，一旦达到阈值，便开始进行回收。

   -XX:+UseCMSCompactAtCollection用于指定在执行完成Full GC后对内存空间进行压缩整理，以避免内存碎片的产生。不过由于内存压缩整理过程无法并发执行，所带来的问题就是停顿时间变得更长了。

   -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction设置在执行多少次Full GC后对内存空间进行压缩整理。

  -XX:ParallelGCThreads是设置CMS的线程数量。（默认启动的线程数是（ParallelGCThreads+3）/4.

7.G1回收器：区域化分代式

 G1是一个并行的回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等。

G1 GC有计划地避免整个堆中进行安全域的垃圾回收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。

并发与并行

   并发性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程STW。

   并发性：G1拥有与应用程序交替执行能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞常用程序的情况。

分代收集：从分代上看，G1依然属于分代垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、老年代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。将堆空间分为若干区域，这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代，和之前的格类回收器，它同时兼顾年轻代和老年代，对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作老年代；

 空间整合：G1将内存划分为一个个的region。内存的回收是以region作为基本单位的，Region之间的复制算法，但整体上实际可以看作是标记-压缩算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特征有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

可预测的停顿时间模型：这是G1相对于CMS的另一个优势，G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上不得超过N毫秒。G1跟踪各个Region里面的垃圾的价值大小（回收获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许时间，优先回收价值最大的region。保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。

参数设置：

 -XX:+UseG1GC 手动指定使用G1收集器执行内存回收任务。

-XX:G1Hea[RegionSize 设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB之间，目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000.

 -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200ms。

 -XX:ParallelGCThread  设置STW时GC线程数的值。最多设置为8.

 -XX:ConsGCThreads 设置并发标记的线程数。将n设置为并发垃圾回收线程数的1/4.

 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 设置触发并发GC周期的Java堆占用lv阈值。超过此值，就触发GC。默认值是45.堆空间已占用达到45%。老年代才会并发标记  

 使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成为约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据空间的实际大小而定，整个被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB、2MB、4MB、8MB、32MB。可以通过-XX:G1HeapRegionSize设定。所有的Region大小相同，且在JVM生命周期内不会被改变。

虽然还保留在有新生代和老年代的概念，但是新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑上的连续。

一个Region可能属于REden，Surviver或者old/Tenured内存区域。但是一个region只可能属于一个角色。上图中的E表示该region属于Eden内存区域，s表示属于Survivor内存区域，o表示属于Old内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。G1垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如上图的H块。主要用于存储大对象，如果超过1.5个region，就放到H。

顺时针，yong gc ->yong gc+concurrent mark ->Mixed GC顺序，进行垃圾回收。 

应用程序分配内存，当代年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程；G1的年轻代收集阶段是一个并行的独占式收集器。在年轻代回收期，G1 GC暂停所有应用线程，启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间，业有可能是两个区间都会涉及。当堆内存使用达到一定值（默认45%）时开始老年代并发标记过程。

标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合期，G1 GC从老年代区间存活对象到空间区间，这些空间业就成为老年代的一部分。和老年代不同，老年代的G1回收期和其他GC不同，G1的老年代回收器不需要被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了，同时，这个老年代Region是和年轻代一起被回收的。

无论是G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描：每一个Rgion都有一个对应的Rembered Set，每次Reference类型数据些操作时，都会产生一个write Barrier暂时中断操作；然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region（其他收集器：检查老年代对象是否引用新生代对象）；如果不同，通过CarTable把相关引用信息指向对象的所在Region对应的Remember Set中，当进行垃圾收集时，在GC根节点枚举范围加入Remember Set：就可以保证不进行全局扫描，业不会有遗漏。