垃圾收集器

一、垃圾收集器

　　　　　　　　　　　　　　HotSpot虚拟机的垃圾收集器

如图展示了7种作用于不同分代的收集器，虚拟机所处的区域，则表示它是属于新生代收集器（Serial、ParNew、Parallel Scavenge）还是老年代收集器（CMS、Serial Old、Parallel Old）。需要注意的是，G1可以独立管理整个GC堆。如果两个收集器之间存在连线，就说明它们可以搭配使用。这里重点掌握CMS和G1垃圾收集器。

 

二、相关概念

在讲解7种垃圾收集器前，这里先给出一些相关概念。

 

2.1 并发和并行（垃圾收集器）

• 并行（Parallel）：指的是多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。
• 并发（Concurrent）：指的垃圾收集线程和用户线程同时执行（不一定是并行的，可能会交替执行），用户程序继续运行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。

 

2.2 吞吐量（Throughput）

吞吐量指的是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 = 运行用户代码的时间 / （运行用户代码的时间 + 垃圾收集时间）。eg. 假设虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。

 

2.3 Minor GC、Major GC、Full GC

1. Minor GC：从新生代空间（包括 Eden 和 Survivor 区域）回收内存被称为 Minor GC。因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。
2. Major GC：是清理老年代的垃圾回收器，Major GC一般比Minor GC慢10倍以上。
3. Full GC   ：清理整个堆空间—包括新生代和老年代。

 

2.4 新生代垃圾收集器

2.4.1 Serial收集器

Serial / Serial Old收集器运行示意图 （老年代采用Serial Old收集器）

 

Serial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”这个名字也许听起来很酷，但这项工作实际上是由虚拟机在后台自动发起和自动完成的，在用户不可见的情况下把用户正常工作的线程全部停掉，这对很多应用来说都是难以接受的。

Serial收集器是HotSpot虚拟机运行在Client模式下的默认的新生代收集器。它也有着优于其他收集器的地方：简单而高效（与其他收集器的单线程相比），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更高的单线程收集效率。

在用户的桌面应用场景中，分配给虚拟机管理的内存一般不会很大，收集几十兆甚至一两百兆的新生代（仅仅是新生代使用的内存，桌面应用基本不会再大了），停顿时间完全可以控制在几十毫秒最多一百毫秒以内，只要不频繁发生，这点停顿时间是可以接受的。所以Serial收集器对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。

总结一下Serial收集器的特点：

1. 单线程：只是用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作
2. Stop The World：垃圾收集时，必须暂停其他所有的线程，直至收集结束
3. 简单而高效：没有线程交互的开销，专心做垃圾收集
4. 使用于Client模式（新生代内存不是很大，用户线程停顿可以接受）

 

2.4.2 ParNew收集器

ParNew / Serial Old收集器运行示意图 （老年代使用Serial Old收集器）

 

由上图看出，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（例如：-XX：SurvivorRatio、-XX：PretenureSizeThreshold、-XX：HandlePromotionFailure等）、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。

ParNew收集器除了使用多线程收集外，其他与Serial收集器相比并无太多创新之处，但它却是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，其中有一个与性能无关的重要原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能和CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）配合工作（CMS收集器是JDK 1.5推出的一个具有划时代意义的收集器）。

ParNew收集器在单CPU的环境中绝对不会有比Serial收集器更好的效果，甚至由于存在线程交互的开销，该收集器在通过超线程技术实现的两个CPU的环境中都不能百分之百地保证可以超越Serial收集器。当然，随着可以使用的CPU的数量的增加，它对于GC时系统资源的有效利用还是很有好处的。它默认开启的收集线程数与CPU的数量相同，在CPU非常多（譬如32个，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参数来限制垃圾收集的线程数。

 

总结一下ParNew收集器的特点：

1. 并行处理（多线程）：多条垃圾收集线程可以并行工作，但是需要暂停所有的用户线程。（除了多线程的特点外，其余行为和Serial收集器相同）。
2. Stop The World：如上，垃圾收集时，需要暂停所有的用户线程。
3. 多运行在Server模式下：当CPU数量增加时，ParNew收集器对于GC时系统资源的的有效利用有很大好处
4. 单个CPU的环境下，不如Serial收集器（多线程之间会有交互的开销）
5. 顺便提一句，能和CMS收集器配合使用的只有ParNew和Serial收集器

 

2.4.3 Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器也是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是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他收集器不同，CMS等收集器的关注点是尽可能地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），所以Parallel Scavenge收集器也经常称为“吞吐量优先”收集器。

• 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。
• 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。

Parallel Scavenge收集器的相关参数

1. Parallel Scavenge收集器还有一个参数-XX：+UseAdaptiveSizePolicy，这是一个开关参数，当这个参数打开之后，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，这种调节方式称为GC自适应的调节策略（GC Ergonomics）。自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。
2. -XX：MaxGCPauseMillis参数：控制最大垃圾收集停顿时间。其允许的值是一个大于0的毫秒数，Parallel Scavenge收集器将尽可能地保证内存回收花费的时间不超过设定值。不要想着将改参数设置小一点就能使得垃圾回收的速度变块。GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取的：系统把新生代调小一些，收集300MB新生代肯定比收集500MB快吧，这也直接导致垃圾收集发生得更频繁一些。
3. 吞吐量大小的-XX：GCTimeRatio参数。垃圾收集时间占总时间的比率。eg.如果把此参数设置为19，那允许的最大GC时间就占总时间的5%（即1/（1+19）），默认值为99，就是允许最大1%（即1/（1+99））的垃圾收集时间。

注意：Parallel Scavenge收集器无法与CMS收集器配合使用，如果新生代选择Parallel Scavenge收集器，老年代只有Serial Old收集器和Parallel Old能与之配合使用。

 

总结一下Parallel Scavenge收集器的特点：

1. 并行的多线程收集器
2. 新生代收集器，使用的是复制的垃圾回收算法，垃圾收集时用户线程要暂停
3. Parallel Scavenge收集器关注的是达到可控制的吞吐量，而不是停顿时间
4. Parallel Scavenge收集器可以调整参数-XX：+UseAdaptiveSizePolicy，实现GC自适应的调节策略（这也是和ParNew收集器重要的区别）

 

2.5 老年代垃圾收集器

2.5.1 Serial Old垃圾收集器

　　                       Serial / Serial Old收集器运行示意图 （新生代采用Serial收集器）

Serial Old是Serial收集器的老年代版本（从英文名字也能看出来），它同样是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法。这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式下，那么它主要还有两大用途：一种用途是与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另一种用途就是作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。

 

Serial Old收集器的一些总结：

1. 单线程
2. 用于老年代版本，使用的的是“标记-整理”算法
3. 主要给Client模式下的虚拟机使用（当然也可以和Parallel Scavenge收集器配合，在Server模式下使用，但是老年代Serial Old收集器在服务端应用性能上会“拖累”Parallel Scavenge收集器，下面就会降到）
4. Serial Old和CMS收集器之间画有连线，因为Serial Old可以作为CMS收集器的后备方案

 

2.5.2 Parallel Old收集器

　　　　　　　　　Parallel Scavenge（新生代） / Parallel Old（老年代）收集器运行示意图

 

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本（这点从英文名字上可以看出来），使用多线程和“标记-整理”算法。在此没有Parallel Old之前，新生代的Parallel Scavenge收集器一直处于比较尴尬的状态。原因是，如果新生代选择了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old收集器外别无选择）。由于老年代Serial Old收集器在服务端应用性能上的“拖累”，使用了Parallel Scavenge收集器也未必能在整体应用上获得吞吐量最大化的效果，由于单线程的老年代收集中无法充分利用服务器多CPU的处理能力，在老年代很大而且硬件比较高级的环境中，这种组合的吞吐量甚至还不一定有ParNew收集器（关注的是停顿时间）加CMS的组合“给力”。

 

所以Parallel Old收集器出现后，“吞吐量优先”收集器终于有了比较名副其实的应用组合（Parallel Scavenge+Parallel Old），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。

 

2.5.3 CMS垃圾收集器

　　Concurrent mark sweep收集器运行示意图

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。CMS收集器非常适用于集中在互联网站或者B/S（browser/server-浏览器和服务器端）系统的服务端上，因为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。

 

CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的，整个过程分为四个步骤：

1. 初始标记（CMS initial mark）：仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快。需要Stop The World。
2. 并发标记（CMS concurrent mark）：进行GC Roots Tracing的过程（从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程），可以与用户线程一起工作，整个过程中耗时最长。
3. 重新标记（CMS remark）：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（增量更新）。需要Stop The World。其停顿时间长于初始标记阶段。
4. 并发清除：（CMS concurrent sweep）：清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，由于不需要移动存活对象，所以这个阶段可以与用户线程同时运行（标记-清除）。

优点：

• CMS是一款优秀的收集器，它的主要优点是：并发收集、低停顿，因此CMS收集器也被称为并发低停顿收集器（Concurrent Low Pause Collector）。

缺点：

1. CMS收集器对处理器资源非常敏感。面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程（或者说CPU资源）而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。（我理解的就是垃圾收集线程会抢占用户线程的处理器资源）。CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量+3）/4，也就是当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。但是当CPU不足4个时（比如2个），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，还要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%，其实也让人无法接受。
2. 无法处理“浮动垃圾”（Floating Garbage），可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次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还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在当次收集中处理掉它们，只好留待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”）。也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，那也就还需要预留有足够的内存空间给用户线程使用，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，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运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败。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。在JVM中，-XX：CMSInitiatingOccupancyFraction可以用来设置CMS启动阈值，注意不要设置太高，否则会出现Concurrent Mode Failure。
3. CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，所以才内存收集结束时，会有大量空间的内存碎片产生，导致为大对象分配带来很大的麻烦，从而不得不提前触发按一次Full GC的情况。

 

2.6  G1收集器

　　G1（Garbage-First）收集器是当今收集器技术发展最前沿的成果之一，它是一款面向服务端应用的垃圾收集器，并且在未来可以替换掉jdk1.5中发布的CMS收集器。G1的优点如下：

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：分代概念在G1中依然得以保留。G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆。G1是基于Region的堆内存布局，虽然G1也仍然遵循分代收集理论设计的，但是他不再坚持固定大小以及数量的分代区域划分，而是把Java堆划分为多个大小相等的独立区域，每一个Region可以扮演新生代的Eden空间、Survivor空间或者老年代空间（虽然还保留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，而都是一部分Region（不需要连续）的集合）。收集器能对扮演的不同角色的Region采用不同方式去处理新创建的对象和已存活一段时间、熬过多次GC的旧对象来获取更好的收集效果。

1. 空间整合，不会产生内存碎片。G1从整体来看是基于“标记-整理”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。这意味着G1运行期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。此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。
2. 可预测的停顿：这是G1相对CMS的一大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点，但G1除了降低停顿外，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GC上的时间不得超过N毫秒。

 

如何实现可预测的停顿呢？

• G1收集器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地避免在整个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（这也就是Garbage-First名称的来由）。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。

G1堆如何避免全堆扫描——记忆集（remember set）

G1把Java堆分为多个Region，就是“化整为零”。但是Region不可能是孤立的，一个对象分配在某个Region中，可以与整个Java堆任意的对象发生引用关系。在做可达性分析确定对象是否存活的时候，需要扫描整个Java堆才能保证准确性，这显然是对GC效率的极大伤害。所以Java堆中的每个Region都维护有自己的记忆集，记录了其他Region中的对象引用本Region中对象的关系，属于一种points-into结构（谁引用了我的对象）。记忆集会记下每个Region会记录下别的Region有指向自己的指针，并标记这些指针分别在哪些Card范围内。而Card Table则是一种points-out（我引用了谁的对象）的结构，每个Card 覆盖一定范围的Heap（一般为512Bytes）。

故Remember Set其实是一个哈希表，Key是别的Region的起始地址，Value是一个集合，里面的元素是Card Table的Index，构成了一种”双向“的卡表结构。（如上图的蓝线和红线）。综上，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。

如果不计算维护Remembered Set的操作，G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤：初

1. 初始标记：仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，并且修改TAMS（Nest Top Mark Start）的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可以的Region中创建对象，此阶段需要停顿线程，但耗时很短。
2. 并发标记：从GC Root 开始对堆中对象进行可达性分析，找到存活对象，此阶段耗时较长，但可与用户程序并发执行。
3. 最终标记：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标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程的Remembered Set Logs里面，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。
4. 筛选回收：首先对各个Region中的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿是时间来制定回收计划。此阶段其实也可以做到与用户程序一起并发执行，但是因为只回收一部分Region，时间是用户可控制的，停顿用户线程将大幅度提高收集效率。

 

以下是各种垃圾回收器的比较：