JVM垃圾收集器

本文介绍了HotSpot的算法实现,包括枚举根节点、安全点和安全区域。还详细阐述了多种JVM垃圾收集器,如Serial、ParNew、Parallel Scavenge等,分析了它们的特点、适用场景及优缺点,最后对垃圾收集器参数进行了总结。

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1、HotSpot的算法实现

1.1、枚举根节点。如果虚拟机要全局进行检查引用,会消耗大量的时间。可达性分析进行时还要进行GC停顿。可达性分析必须要保证 在一致性的快照中进行,一致性是指在整个分析期间整个执行系统看起来就像被冻结在某个时间节点上,不可以出现分析过程中对象引用还在不断的发生变化的情况。这点是导致GC进行时必须停顿所有的Java执行线程(Stop The World)。当所有线程都停顿之后,虚拟机不会进行全局扫描检查来判断哪些地方存在引用,而是使用一组成为OopMap的数据结构来存储所有的引用,在类加载完成时和编译完成时虚拟机已经知道那些地方存在引用,然后在进行扫描时直接就会存储到OopMap中。

1.2、安全点。虚拟机不会为每条指令生成OopMap,只是在特定的位置记录这些信息,这些位置称为安全点,即程序执行时不会在所有的位置都能停顿下来开始GC,只有在到达安全点时才进行GC停顿。安全点的选定是以程序"是否具有让程序长时间执行的特征"为标准进行选定。长时间执行的最明显特征就是指令序列复用,如方法调用、循环跳转、异常跳转等。

1.2.1、对于安全点,需要考虑的另一个问题就是如何如何在GC发生时让所有线程都跑到最近的安全点上再停顿下来?一是抢先式中断,二是主动式中断。抢先式中断时首先让所有的线程全部中断,如果发现中断的线程没有在安全点,就恢复线程让其跑到安全点再中断。主动式中断是设置一个标志位,让所有的线程去轮询这个标志,当标志位为true时,就中断挂起线程,标志位的设置点和安全点是重合的。

1.3、安全区域。在程序不执行的时候即没有分配CPU时间的时候,如何让其进入GC停顿呢?解决办法就是安全区域,即程序在一段代码片段中引用关系不会发生变化。在这个区域的任意地方进行GC都是安全的。在程序执行时,首先标识自己已经进入安全区域,离开时检查系统是否已经完成了GC枚举或者是整个GC过程,如果完成了线程就继续执行,否则必须等待直到收到可以安全离开的安全区的信号为止。

2、垃圾收集器

2.1、Serial收集器。单线程的新生代收集器。在其进行垃圾收集时必须暂停其他所有的工作线程,直到其收集结束,这项工作全部是由虚拟机在后台自动发起和完成的。它是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。

2.2、ParNew收集器。新生代的Serial收集器的多线程版本。除了使用多线程之外,其余包括Serial收集器可用的所有控制参数,收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与Serial收集器一样。是运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器。

2.3、Parallel Scavenge收集器。新生代的并行多线程的收集器。其更注重的是吞吐量。吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值,吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)。

停顿时间越短就越适合与用户交互的程序,高吞吐量的适合后台运算而不需要太多交互的任务。

2.4、Serial Old收集器。老年代使用标记-整理算法的单线程收集器。一是给Client模式下的虚拟机使用,二是在Server模式下,作为CMS收集器的后备方案使用,在Concurrent Mode Failuer时使用。

2.5、Parallel Old收集器。是Parallel Scavenge的老年代版本,使用标记-整理算法。

2.6、CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器。这是一个以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它分为4个运作过程:初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。

2.6.1、初始标记和重新标记需要进行Stop The World。初始标记仅仅是标记一下GC Roots能直接关联到的对象,速度快。并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程,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,这个阶段停顿时间比初始标记时间长,远比并发标记时间短。

2.6.2、整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集线程都可以与用户线程一起工作,所以总体来说,CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

2.6.3、CMS的几个缺点:
2.6.3.1、一是CMS收集器对CPU资源非常敏感。

2.6.3.2、二是CMS收集器无法处理浮动垃圾,可能出现Concurrent Mode Failure失败而导致一次Full GC的产生,由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着,伴随程序运行自然就会有垃圾的产生,这一部分垃圾出现在标记之后,CMS无法在收集中处理掉它们,只能等到下一次GC再清理,这一部分垃圾就叫做浮动垃圾。由于垃圾收集阶段用户线程还需要运行,也就需要预留有足够的空间给用户线程使用,因此CMS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,需要预留一部分空间提供并发收集时的程序运作使用。要是CMS运行期间预留的孔家无法满足程序的需要,就会出现Concurrent Mode Failure失败,这时虚拟机将启动后备预案,临时启用Serial Old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。可以通过参数进行调节。

2.6.3.3、三是此收集器是采用标记-清除算法,会产生空间碎片,导致很多大对象分配不到足够大的连续的内存,导致不得不进行一次Full GC。为了解决这个问题CMS提供了一个参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection,用于在CMS顶不住时进行Full GC时开启内存碎片的合并整理过程,内存整理过程无法并发,因此停顿时间会变长。-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction,这个参数用于设置执行多少次不压缩的Full GC后,跟着来一次压缩的。

2.7、G1收集器。面向服务端应用的垃圾收集器。
2.7.1、与其他收集器相比的优点:并行与并发、分代收集、空间整合(不会有碎片产生,标记-整理算法和复制算法)、可预测的停顿(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)。

2.7.2、G1收集器将整个Java堆分为多个大小相等的独立区域(region)。G1之所以能建立可预测的停顿时间模型,是因为它可以有计划的规避在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。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(Garbage First名称的由来)。这种使用Region划分内存空间以及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可以获取尽可能高的收集效率。

2.7.3、在G1收集器中Region之间的对象引用以及其他收集器中新生代与老年代之间的对象引用,虚拟机都是使用Remembered Set来避免全堆扫描的。G1中每个Region都有一个与之对应的Remembered Set,虚拟机发现程序在对Reference类型的数据进行写操作时,会产生一个Write Barrier暂时中断写操作,检查Reference引用的对象是否处于不同的Region之中(在分代的例子中就是检查是否老年代中的对象引用了新生代中的对象),如果是便通过CardTable把相关引用信息记录到被引用的对象所属的Remembered Set之中。当进行内存回收时,在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set即可保证不对全堆扫描也不会有遗漏。

2.7.3、G1收集器的运作:初始标记、并发标记、最终标记、筛选回收。初始标记和并发标记和CMS收集器基本相同,并发标记就是做可达性分析,但是可以与用户线程并发执行。最终标记则是为了修正在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记录,虚拟机将这段时间对象的变化记录在线程Remembered Set Logs里,最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中,这阶段需要停顿线程,但是可并行执行。最后筛选阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序,根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划。

2.8、垃圾收集器参数总结
在这里插入图片描述
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读《深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践》所做的笔记。

### JVM垃圾收集器的工作原理 JVM中的垃圾收集器负责自动管理和释放不再使用的内存资源。这一过程对于维护Java应用程序的性能至关重要[^1]。垃圾收集的主要目标是在不影响应用正常运行的前提下尽可能高效地回收无用对象所占有的空间。 #### 垃圾收集器类型及其特性 多种类型的垃圾收集器存在于现代版本的JVM中,每种都有各自的设计理念来适应特定应用场景下的需求: - **Serial GC**:适用于单核处理器的小规模应用环境,在年轻代采用复制算法,在老年代则使用标记-整理算法。 - **Parallel GC (也称为Throughput Collector)**:专为多CPU系统设计,旨在最大化吞吐量,即完成更多有用工作的比例相对于总执行时间而言。该收集器同样区分新生代与年老代,并分别运用不同的清理策略以达到最佳效果。 - **CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC**:专注于降低暂停时间而非整体效率,适合于那些对响应速度敏感的服务端程序。它可以在后台逐步扫描存活对象并清除死亡对象而不必完全停止整个应用程序进程。 - **G1 (Garbage First) GC**:自JDK 7更新版引入以来成为默认选项之一,特别擅长处理具有大量活跃数据的大容量堆配置。G1将整个堆划分为多个固定大小的区域(region),并通过预测哪些地区最有可能包含可回收的空间来进行优先级排序。 - **ZGC 和 Shenandoah GC**:这两种新型低延迟垃圾收集器是从JDK 11开始加入的支持超大型堆(可达数TB级别)的同时具备亚毫秒级别的短暂停滞特性的工具[ZGC][^5]。它们都采用了先进的并发技术使得大部分垃圾回收活动能够在不停止用户线程的情况下发生。 ### 如何选择合适的垃圾收集器? 选择最适合项目需求的垃圾收集器取决于具体的应用场景以及期望达成的目标。如果追求最高的吞吐率,则可能倾向于使用`Parallel GC`; 若更看重快速反应时间和较低的停顿频率,那么像`CMS`, `G1`, 或者最新的`ZGC/Shenandoah`可能是更好的选择。值得注意的是,“最优”的方案并非永恒不变——随着业务逻辑的发展和技术进步,原先选定的最佳实践可能会变得不合适,因此定期审查当前设置总是明智之举[^2]。 ### 性能调优建议 为了使选中的垃圾收集器发挥最大效能,可以通过调整一系列参数来进行精细化控制。这包括但不限于设定初始/最大堆尺寸(-Xms/-Xmx), 新生代占比(-XX:NewRatio), 生存阈值(-XX:+UseAdaptiveSizePolicy,-XX:MaxTenuringThreshold)等。此外,启用详细的日志记录功能可以帮助诊断潜在瓶颈所在之处,从而指导后续改进措施的方向。最终目的是找到一个平衡点,在满足服务等级协议(SLA)关于响应时间和吞吐量的要求之间取得良好折衷。 ```bash java -Xms512m -Xmx4g -XX:+UseG1GC MyApplication ```
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