垃圾收集器与内存分配策略（三）——七种垃圾收集器
如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。Java虚拟机规范中对垃圾收集器应该如何实现并没有任何规定，因此不同厂商、不同版本的虚拟机所提供的垃圾收集器可能会有很大差别。这里讨论的收集器基于JDK 1.7 Update 14之后的HotSpot虚拟机（在这个版本中正式提供了商用的G1收集器，之前G1仍然处于试验状态，JDK11已经作为默认的收集器），这个虚拟机所包含的所有收集器如下图：
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一、Serial收集器（新生代）
最原生的收集器, jdk1.3以前唯一的选择.
单线程收集器. 这里并不是指使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作, 而是指它在收集垃圾时, 必须暂停用户工作线程(Stop The World).
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-
单线程
只会使用一个CPU或一条GC线程进行GC,并且在GC过程中暂停其他所有的工作线程,因此用户的请求或图形化界面会出现卡顿 -
适合Client模式
一般客户端应用所需内存较小,不会创建太多的对象,而且堆内存不大,因此GC时间比较短,即使在这段时间停止一切用户线程,也不会感到明显停顿 -
简单高效
由于Serial收集器只有一条GC线程,避免了线程切换的开销 -
采用"复制"算法
二、ParNew收集器（新生代）
ParNew是Serial的多线程版本
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- 多线程并行执行
ParNew由多条GC线程并行地进行垃圾清理.
但清理过程仍然需要暂停一切其他用户线程.
但由于有多条GC线程同时清理,清理速度比Serial有一定的提升 - 适合多CPU服务器的环境
由于使用多线程,是许多运行在 server 模式下的虚拟机首选的新生代收集器
与Serial性能对比ParNew和Serial唯一区别就是使用了多线程垃圾回收,在多CPU的环境下性能比Serial会有一定程度的提升。但线程切换需要额外的开销,因此在单CPU环境中表现不如Serial,双CPU环境也不一定就比Serial高效。默认开启的收集线程数与CPU数量相同。 - 采用"复制"算法
- 追求“降低停顿时间”
和Serial相比,ParNew使用多线程的目的就是缩短GC时间,从而减少用户线程被停顿的时间。 - 使用参数
使用参数 -XX:+UseParNewGC
限制线程数 -XX:ParallelGCThreads
三、Parallel Scavenge收集器（新生代）
吞吐量优先收集器，Parallel Scavenge和ParNew一样都是并行的多线程、新生代收集器,都使用"复制"算法(Stop-The-World)进行垃圾回收。
ParNew收集器追求降低GC时用户线程的停顿时间,适合交互式应用,良好的反应速度提升用户体验。
Parallel Scavenge追求可控的CPU吞吐量,能够在较短的时间内完成指定任务,适合不需太多交互的后台运算。
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- 优点：可以精确控制吞吐量
- 缺点：原本10s收集一次, 每次停顿100ms, 设置完参数之后可能变成5s收集一次, 每次停顿70ms. 停顿时间变短, 但收集次数变多
四、Serial Old收集器（老年代）
Serial的老年代版本,都是单线程收集器,GC时只启动一条GC线程,因此都适合客户端应用.
它们唯一的区别就是：Serial Old工作在老年代,使用"标记-整理"算法；Serial工作在新生代,使用"复制"算法。
五、Parallel Old收集器（老年代）
Parallel Scavenge收集器的老年代版本。
在jdk1.6之前, 如果新生代选择了Parallel Scaenge收集器, 老年代除了Serial Old(PS Mark Sweep)收集器外别无选择.( 上面说过, Parallel Scavenge收集器无法与CMS-Concurrent Mark Sweep收集器搭配工作)。但是现在可以使用Parallel Scavenge + Parallel Old组合. 而不必像之前那样Prallel Scavenge + Serial Old组合.
六、CMS收集器（老年代）
(Concurrent Mark Sweep Collector) : 低延迟为先!
回收停顿时间比较短、目前比较常用的垃圾回收器。它通过初始标记(InitialMark)、并发标记(Concurrent Mark)、重新标记( Remark)、并发清除( Concurrent Sweep )四个步骤完成垃圾回收工作。
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有两步需要"Stop The World"：初始标记和重新标记。
- 初始标记 (Initial Mark)
停止一切用户线程,仅使用一条初始标记线程对所有与GC Roots直接相关联的 老年代对象进行标记,速度很快 - 并发标记 (Concurrent Marking Phase)
使用多条并发标记线程并行执行,并与用户线程并发执行.此过程进行可达性分析,标记所有这些对象可达的存货对象,速度很慢 - 重新标记 ( Remark)
因为并发标记时有用户线程在执行，标记结果可能有变化
停止一切用户线程,并使用多条重新标记线程并行执行,重新遍历所有在并发标记期间有变化的对象进行最后的标记.这个过程的运行时间介于初始标记和并发标记之间 - 并发清除 (Concurrent Sweeping)
只使用一条并发清除线程,和用户线程们并发执行,清除刚才标记的对象
这个过程非常耗时
CMS的缺点：
- 吞吐量低
由于CMS在GC过程用户线程和GC线程并行,从而有线程切换的额外开销
因此CPU吞吐量就不如在GC过程中停止一切用户线程的方式来的高 - 无法处理浮动垃圾,导致频繁Full GC
由于垃圾清除过程中,用户线程和GC线程并发执行,也就是用户线程仍在执行,那么在执行过程中会产生垃圾,这些垃圾称为"浮动垃圾"
如果CMS在GC过程中,用户线程需要在老年代中分配内存时发现空间不足,就需再次发起Full GC,而此时CMS正在进行清除工作,因此此时只能由Serial Old临时对老年代进行一次Full GC - 使用"标记-清除"算法产生碎片空间
由于CMS使用了"标记-清除"算法, 因此清除之后会产生大量的碎片空间,不利于空间利用率.不过CMS提供了应对策略:
1、开启-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
开启该参数后,每次FullGC完成后都会进行一次内存压缩整理,将零散在各处的对象整理到一块儿.但每次都整理效率不高,因此提供了以下参数.
2、设置参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction
本参数告诉CMS,经过了N次Full GC过后再进行一次内存整理.
CMS应用场景：
目前很大一部分的Java应用集中在互联网网站或B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器非常符合这类应用的需求。
七、G1收集器（万能收集器）
Hotspot 在JDK7中推出了新一代 G1 ( Garbage-First Garbage Collector )垃圾回收，通过
-XX:+UseG1GC
参数启用
和CMS相比，Gl具备压缩功能，能避免碎片向題，G1的暂停时间更加可控。性能总体还是非常不错的,G1是当今最前沿的垃圾收集器成果之一.
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G1收集器相关概念
- G1的内存模型
没有新生代和老年代的概念,而是将Java堆划分为一块块独立的大小相等的Region.
当要进行垃圾收集时,首先估计每个Region中的垃圾数量,每次都从垃圾回收价值最大的Region开始回收,因此可以获得最大的回收效率 - Remembered Set
一个对象和它内部所引用的对象可能不在同一个Region中,那么当垃圾回收时,是否需要扫描整个堆内存才能完整地进行一次可达性分析?
当然不是,每个Region都有一个Remembered Set,用于记录本区域中所有对象引用的对象所在的区域,从而在进行可达性分析时,只要在GC Roots中再加上Remembered Set即可防止对所有堆内存的遍历.
G1收集器特点：
- 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。
- 分代收集：与其他收集器一样，分代概念在G1中得以保留。
- 空间整合：与CMS的“标记-清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记-整理”算法实现的收集器，从局部上来看是基于“复制”算法实现的，这两种算法都不会产生内存空间碎片。
- 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，消耗在垃圾收集器上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。
G1垃圾收集过程
- 初始标记
标记与GC Roots直接关联的对象,停止所有用户线程,只启动一条初始标记线程,这个过程很快. - 并发标记
进行全面的可达性分析,开启一条并发标记线程与用户线程并行执行.这个过程比较长. - 最终标记
标记出并发标记过程中用户线程新产生的垃圾.停止所有用户线程,并使用多条最终标记线程并行执行. - 筛选回收
回收废弃的对象.此时也需要停止一切用户线程,并使用多条筛选回收线程并行执行.
S0/S1的功能由G1中的Survivor region来承载,通过GC日志可以观察到完整的垃圾回收过程如下，其中就有Survivor regions的区域从0个到1个
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红色标识的为G1中的四种region,都处于Heap中.
G1执行时使用4个worker并发执行，在初始标记时，还是会触发STW,如第一步所示的Pause
