5. GC收集器

2018-02-11 本文已影响0人旧时的荣耀

这里讨论的收集器基于JDK1.7 Update 14之后的HotSpot虚拟机，这个虚拟机包含的所有收集器如下所示：

GC收集器.jpg

明确一个观点：虽然我们是在对各个收集器进行比较，但并非为了挑选出一个最好的收集器。因为直到现在为止还没有最好的收集器出现，更加没有万能的收集器，所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器

Serial收集器

最基本、发展历史最悠久
单线程：它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，只到它收集结束
- 可能会产生较长的停顿
虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器
- 简单而高效(与其他收集器的单线程比)

Serial/Serial Old收集器运行示意图

ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本
- 除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为包括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收集器完全一样
是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器
- 有一个与性能无关但很重要的原因是：除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作
- 使用-XX:+UseConcMarkSweepGC选项后的默认新生代收集器
- 也可以使用-XX:+UseParNewGC选项来强制指定
多线程，需要多核支持
- 在单CPU环境中绝对不会有比Serial收集器更好的效果
- 默认开启的收集线程数与CPU的数量相同
- 在CPU非常多（现在CPU动辄就4核加超线程，服务器超过32个逻辑CPU的情况越来越多了）的环境下，可以使用-XX:ParallelGCThreads来限制垃圾收集的线程数量

ParNew/Serial Old收集器运行示意图

Parallel Scavenge收集器

类似ParNew
- 新生代收集器
- 使用复制算法
- 并行的多线程收集器
Parallel Scavenge收集器的特点是它的关注点与其它收集器不同：
- CMS等收集器的关注点是尽可能的缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间
- 而Parallel scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量(Throughput)
- 吞吐量：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)
停顿时间和吞吐量不可能同时调优
- 停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验
  - 控制最大垃圾收集停顿时间的 -XX:MaxGCPauseMills
    - 大于0的毫秒数
    - GC尽力保证回收时间不超过设定值
    - GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间换来的：
      - 系统把新生代调小一些
      - 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
  - 直接设置吞吐量大小的 -XX:GCTimeRatio
    - 0-100的取值范围
    - 垃圾收集时间占总时间的比
    - 默认99，即最大允许1%时间做GC
开关参数 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy
- 这个参数打开之后，就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX：SurvivorRatio）、晋升老年代对象年龄（-XX：PretenureSizeThreshold）等细节参数了，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量
- 称为GC自适应的调节策略
- Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别

Serial Old收集器

Serial收集器的老年代版本，单线程收集器，使用“标记-压缩”算法
主要意义：

给Client模式下的虚拟机使用
在Server模式下主要还有两大用途：
1. 在JDK 1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用
2. 作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用

Parallel Old收集器

Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-压缩”算法
在JDK 1.6中才开始提供，在此之前Parallel Scavenge加Serial Old的组合的吞吐量还不一定有ParNew加CMS的组合“给力”
“吞吐量优先”收集器比较名副其实的应用组合，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器

Parallel Scavenge/Parallel Old收集器运行示意图

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器

以获取最短回收停顿时间为目标
- 目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验
基于“标记-清除”算法实现，整个过程分为4个步骤：初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World"

初始标记（CMS initial mark）：标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快
并发标记（CMS concurrent mark）：进行GC Roots Tracing
重新标记（CMS remark）：修正并发标记期间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，停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短
并发清除（CMS concurrent sweep）

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：
- 整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程都可以与用户线程一起工作

Concurrent Mark Sweep收集器运行示意图

主要优点：
- 并发收集
- 低停顿
三个缺点：
- 对CPU资源非常敏感（面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感）
  - 在并发阶段，会因为占用了一部分线程（CPU资源）而导致应用程序变慢，总吞吐量降低
  - CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量+3）/ 4
    1. CPU在4个以上时，并发回收时垃圾收集线程不少于25%的CPU资源，并且随着CPU数量的增加而下降
    2. CPU不足4个时，CMS对用户程序的影响就可能变得很大，如果本来CPU负载就比较大，还分出一半的运算能力去执行收集器线程，就可能导致用户程序的执行速度忽然降低了50%
- 无法处理浮动垃圾（Floating Garbage）
  - 因为在清理阶段，用户线程还在运行，会产生新的垃圾，无法清理
  - 因为和用户线程一起运行，不能在空间快满时再清理，需要预留有足够的内存空间给用户线程使用
    1. -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置触发GC的阈值
    2. 如果不幸内存预留空间不够，就会引起“Concurrent Mode Failure”，性能反而降低
- 收集结束时会有大量空间碎片产生（“标记-清除”算法）：无法找到足够大的连续空间，不得不提前触发一次Full GC
  - -XX:UseCMSCompactAtFullCollection：
    1. 在CMS收集器顶不住要进行FullGC时，开启内存碎片的合并整理过程（默认开启）
    2. 内存整理的过程是无法并发的
    3. 停顿时间会变长
  - -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：
    1. 设置进行几次不压缩的Full GC后，进行一次带压缩的（默认值为0，表示每次进入Full GC时都进行碎片整理）

G1（Garbage-First）收集器

当今收集器技术发展的最前沿成果之一
HopSpot开发团队赋予它的使命是未来可以填换掉JDK 1.5中发布的CMS收集器。特点：
1. 并行与并发：G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU来缩短Stop-The-World停顿的时间，部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续执行
2. 分代收集：与其它收集器一样
3. 空间整合：与CMS的“标记-清除”算法不同，从整体上看是基于“标记-压缩”算法实现的收集器，从局部（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的，但无论如何，这两种算法都意味着G1运行期间不会产生内存空间碎片
4. 可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点，但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
G1收集器Java堆的内存布局与其它收集器有很大差别：
- 在G1之前的其它收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代
- 使用Region划分内存空间：G1将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），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
- 有优先级的区域回收方式：G1跟踪各个Region里面的垃圾对象的价值大小，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
使用Remembered Set来避免全堆扫描（属于细节问题）
- 问题：G1中Region之间的对象引用以及其它收集器中的新生代与老年代之间的对象引用
G1收集器的运作步骤：

初始标记（Initial Marking）：标记GC Roots能直接关联到的对象，需要停顿线程，耗时很短
并发标记（Concurrent Marking）：进行可达性分析，耗时较长，可并发执行
最终标记（Final Marking）：修正并发标记期间标记产生变动的记录（Remembered Set），需要停顿线程，可并行执行
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：对Region的回收价值和成本进行排序，根据期望的GC停顿时间来制定回收计划，时间可控，停顿用户线程来大幅提高效率

G1收集器运行示意图

没有经过实际应用的考验