Java GC深入解析-优快云博客

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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，可以由不同的厂商、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分为不同的类型。

GC性能指标

吞吐量：运行用户代码的时间占总运行时间的比例(总运行时间：用户代码的运行时间+内存回收的时间)
垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间。
收集频率:相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
内存占用：Java堆区所占的内存大小。
快速：一个对象从诞生到被回收所经历的时间。

这三项里，暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展，内存占用多些越来越能容忍，硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响，即提高了吞吐量。而内存的扩大，对延迟反而带来负面效果。
简单来说，主要抓住两点：吞吐量、暂停时间（延迟）
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不幸的是==”高吞吐量”和”低暂停时间”是一对相互竞争的目标(矛盾)==。因为如果选择以吞吐量优先，那么必然需要降低内存回收的执行频率，但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收。相反的，如果选择以低延迟优先为原则，那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间，也只能频繁地执行内存回收，但这又引起了年轻代内存的缩减和导致程序吞吐量的下降。

现在标准:在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间。

2、不同的垃圾回收器概述

Java常见的(经典)垃圾收集器有哪些?

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

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收集器与垃圾分代之间的关系

垃圾收集器的组合关系

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所以就需要针对不同的场景，提供不同的垃圾收集器，提高垃圾收集的性能。

3、Serial回收器:串行回收

Serial收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代唯一的选择。
Serial收集器作为HotSpot中Client模式下的默认新生代垃圾收集器。
Serial收集器采用复制算法、串行回收和"Stop-the-World"机制的方式执行内存回收。
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 0ld收集器。Serial 0ld收集器同样也采用了串行回收和"Stop the World"机制，只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算
法。
1、Serial 0ld是运行在Client模式下默认的老年代的垃圾回收器
2、Serial 0ld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垃圾收集工作，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束(Stop The World)。
优势:简单而高效(与其他收集器的单线程比)，对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。
运行在Client模式下的虚拟机是个不错的选择。
在用户的桌面应用场景中，可用内存一般不大(几十MB至一两百MB)可以在较短时间内完成垃圾收集(几十ms至一百多ms) , 只要不频繁发生，使用串行回收器是可以接受的。
在HotSpot虛拟机中，使用-XX:+UseSerialGC 参数可以指定年轻代和老年代都使用串行收集器。
等价于新生代用Serial GC，且老年代用Serial 0ld GC

总结:

这种垃圾收集器大家了解，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应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的。.

4、ParNew回收器:并行回收

如果说Serial GC是年轻代中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回收外，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。
ParNew是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。

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1、对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。
2、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)

由于ParNew收集器是基于并行回收，那么是否可以断定ParNew收集器的回收效率在任何场景下都会比Serial收集器更高效? 不能
1、ParNew 收集器运行在多CPU的环境下，由于可以充分利用多CPU、多核心等物理硬件资源优势，可以更快速地完成垃圾收集，提升程序的吞吐量。
2、但是在单个CPU的环境下，ParNew收集器不比Serial收集器更高效。虽然Serial收集器是基于串行回收，但是由于CPU不需要频繁地做任务切换，因此可以有效避免多线程交互过程中产生的一些额外开销。
因为除Serial外，目前只有ParNew GC能与CMS收集器配合工作

5、Parallel回收器:吞吐量优先

HotSpot的年轻代中除了拥有ParNew收集器是基于并行回收的以外，Parallel Scavenge收集器同样也采用了复制算法、并行回收和”stop the World"机制。
那么Parallel收集器的出现是否多此一举？和ParNew收集器不同，Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量( Throughput)，它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
自适应调节策略也是Parallel Scavenge 与ParNew一个重要区别。
高吞吐量则可以高效率地利用CPU 时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。因此，常见在服务器环境中使用。例如，那些执行批量处理、汀单处理、工资支付、科学计算的应用程序。
Parallel收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallel 0ld收集器，用来代替老年代的Serial 0ld收集器。
Parallel 0ld收集器采用了标记-压缩算法，但同样也是基于并行回收和”Stop-the-World"机制。
在程序吞吐量优先的应用场景中，Parallel收集器和Parallel 0ld收集器的组合，在Server模式下的内存回收性能很不错。
在Java8中，默认是此垃圾收集器。
-XX: +UseParallelGC 手动指定年轻代使用Parallel并行收集器执行内存回收任务。
-XX: +UseParallelOldGC手动指定老年代都是使用并行回收收集器。

上面两个参数，默认开启一个，另一个也会被开启。 (互相激活)

-XX: ParallelGCThreads设置年轻代并行收集器的线程数。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。在默认情况下，当CPU数量小于8个， ParallelGCThreads 的值等于
CPU数量。当CPU数量大于8个， ParallelGCThreads的值等于3+ [5*CPU Count]/8] 。
-XX:MaxGCPauseMillis设置垃圾收集器最大停顿时间(即STW的时间)。单位是毫秒。
-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

在JDK 1.5时期，HotSpot推出了一款在强交互应用中几乎可认为有划时代意义的垃圾收集器: CMS (Concurrent-Mark-Sweep)收集器，这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，它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。停顿时间越短(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。
CMS的垃圾收集算法采用标记-清除算法，并且也会" Stop- the-world"，收集老年代

CMS的工作原理

CMS整个过程比之前的收集器要复杂，整个过程分为4个主要阶段，即初始标记阶段、并发标记阶段、重新标记阶段和并发清除阶段。

初始标记(Initial-Mark) 阶段：在这个阶段中，程序中所有的工作线程都将会因为“Stop-the-World"机制而出现短暂的暂停，这个阶段的主要任务仅仅只是标记出GCRoots能直接关联到的对象。一旦标记完成之后就会恢复之前被暂停的所有应用线程。由于直接关联对象比较小，所以这里的速度非常快。
并发标记(Concurrent -Mark)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。
重新标记 (Remark)阶段：由于在并发标记阶段中，程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或者交叉运行，因此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，这个阶段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。
并发清除(Concurrent -Sweep)阶段：此阶段清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，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

CMS的特点与弊端分析

尽管CMS收集器采用的是并发回收(非独占式)，但是在其初始化标记和再次标记这两个阶段中仍然需要执行“Stop-the-World" 机制暂停程序中的工作线程，不过暂停时间并不会太长，因此可以说明目前所有的垃圾收集器都做不到完全不需要“Stop-the-World”，只是尽可能地缩短暂停时间。
由于最耗费时间的并发标记与并发清除阶段都不需要暂停工作，所以整体的回收是低停顿的。
另外，由于在垃圾收集阶段用户线程没有中断，所以在CMS回收过程中，还应该确保应用程序用户线程有足够的内存可用。因此，CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，而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工作过程中依然有足够的空间支持应用程序运行。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虛拟机将启动后备预案:临时启用Serial 0ld收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。
采用标记-清除算法会造成内存碎片，为什么不采用标记-压缩算法？
因为当并发清除的时候，用Compact整理内存的话，原来的用户线（并发）程使用的内存还怎么用呢?要保证用户线程能继续执行，前提的它运行的资源不受影响嘛。Mark Compact更适合“Stop the World”这种场景下使用

优点：
并发收集
低延迟

弊端：
1、会产生内存碎片，导致并发清除后，用户线程可用的空间不足。在无法分配大对象的情况下，不得不提前触发Full GC。
2、CMS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，但是会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。
3、 CMS收集器无法处理浮动垃圾。可能出现“Concurrent Mode Failure"失败而导致另一次Full GC的产生。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的，那么在并发标记阶段如果产生新的垃圾对象，CMS将无法对这些垃圾对象进行标记，最终会导致这些新产生的垃圾对象没有被及时回收，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

-XX: +UseConcMarkSweepGC:表明老年代使用CMS GC。同时，年轻代会触发对ParNew 的使用
-XX:CMSlnitiatingOccupanyFraction设置堆内存使用率的阈值（不能使用完再回收），一旦达到该阈值，便开始进行回收。
xx: ParallelCMSThreads 设置CMS的线程数量。
-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: +UseCMSCompactAtFullCollection用于指定在执行完FullGC后对内存空间进行压缩整理，以此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。

小结

如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选Serial GC;
如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel GC; .
如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS GC。

7、G1回收器：区域化分代式

官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。

G1 (Garbage -First)是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间的同时，还兼具高吞吐量的性能特征。
在JDK1.7版本正式启用，移除了Experimental的标识，==是JDK 9以后的默认垃圾回收器，取代了CMS回收器以及Parallel + Parallel 0ld组合。==被Oracle官方称为“全功能的垃圾收集器”
与此同时，CMS已经在JDK 9中被标记为废弃(deprecated)。在jdk8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用-XX: +UseG1GC来启用。

G1回收器的特点(优势)

与其他GC收集器相比，G1使用了全新的分区算法，其特点如下所示:

并行与并发
并发性: G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，
并行性: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
分代收集
1、从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，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、年轻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。
2、将堆空间分为若干个区域（Region)，这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
3、和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或作在年轻代，或者工作在老年代;
空间整合
1、CMS:“标记-清除”算法、内存碎片、若干次GC后进行一次碎片整理
2、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之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩（Mark-Compact)算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性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下一次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（即:软实时soft real-time)
这是G1相对于CMS的另一大优势，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，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。
1、由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
2、G1跟踪各个 Region里面的垃圾堆积的价值大小（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。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。
3、相比于CMS GC，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。

G1回收器的缺点

G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用(Footprint）还是程序运行时的额外执行负载（overload）都要比CMS要高。
从经验上来说，在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在6-8GB之间。

分区Region

使用Gl收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB，2MB，4MB，8MB，16MB，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。虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，
它们都是一部分Region(不需要连续）的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑上的连续。

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，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过1.5个region，就放到H

设置H的原因:
对于堆中的大对象，默认直接会被分配到老年代，但是如果它是一个短期存在的大对约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，它用来专门存放大对象。如果一个H区装不下一个大对象，那么G1会寻找连续的H区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。G1的大多数行为都把H区作为老年代的一部分来看待。

G1回收器垃圾回收过程

G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节:

年轻代GC(Young GC)
老年代并发标记过程(Concurrent Marking)
混合回收（Mixed GC)
(如果需要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是继续存在的。它针对Gc的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。)

应用程序分配内存，当年轻代的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暂停所有应用程序线程，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，也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。对于一个混合回收期，G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同，老年代的G1回收器和其他Gc不同，G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可。同时，这个老年代Region是和年轻代一起被回收的。

Remembered Set

问题：

一个对象被不同区域引用的问题
一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确?
在其他的分代收集器，也存在这样的问题（而G1更突出）
回收新生代也不得不同时扫描老年代?
这样的话会降低Minor Gc的效率;

解决方法:

无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered set来避免全局扫描:
每个Region都有一个对应的Remembered Set;
每次Reference类型数据写操作时，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了新生代对象）
如果不同，通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered set中
当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set;就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。

回收细节：

1、年轻代GC

JVM启动时，G1先准备好Eden区，程序在运行过程中不断创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年轻代垃圾回收过程。
年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区。

YGC时，首先G1停止应用程序的执行（Stop-The-World），G1创建回收集（collection set），回收集是指需要被回收的内存分段的集合，年轻代回收过程的回收集包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。

2、并发标记过程

初始标记阶段：标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW 的，并且会触发一次年轻代GC。
根区域扫描（Root Region Scanning):G1 GC扫描survivor区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。这一过程必须在young Gc之前完成。
并发标记(Concurrent Marking):在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。
识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是STW的。
再次标记(Remark):由于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果。是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。
独占清理(cleanup,STW):计算各个区域的存活对象和GC回收比例，并进行排序，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集
并发清理阶段:识别并清理完全空闲的区域。

3、混合回收

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器，即Mixed Gc，该算法并不是一个oldGc，除了回收整个Young Region,还会回收一部分的old Region。这里需要注意:是一部分老年代，而不是全部老年代。可以选择哪些old Region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed Gc并不是Full GC。

4、full GC （可选）

G1的初衷就是要避免Full GC的出现。但是如果上述方式不能正常工作G1会停止应用程序的执行(stop-The-World），使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。
要避免Full GC的发生，一旦发生需要进行调整。什么时候会发生FullGC呢?比如堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到full gc，这种情况可以通过增大内存解决。

导致G1Full GC的原因可能有两个: