JVM内存和垃圾回收-15.垃圾回收器

1.GC分类和性能指标

1.1 垃圾回收器分类

• 按线程数：这里的线程数指的用于垃圾回收的线程数，且两者都会STW
  • 串行回收器：单CPU上性能较好，默认被应用在客户端的JVM中
  • 并行回收器：在并发能力强的CPU上，停顿时间短

• 按工作模式：

  • 并发式垃圾回收器：与用户线程交替执行，减少程序的停顿时间
  • 独占式垃圾回收器：一运行就停止程序中所有用户线程，直到垃圾回收完成

• 按碎片处理方法：

  • 压缩式垃圾回收器：回收完后对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片
  • 非压缩式垃圾回收器：回收完后对存活对象不进行压缩操作

• 按工作的内存区间：

  • 年轻代垃圾回收器
  • 老年代垃圾回收器

1.2 评估指标

在最大吞吐量优先的情况下，降低暂停时间

• 吞吐量：运行用户代码时间占总运行时间的比例(高吞吐量意味着程序运行越快，需要降低内存回收的执行频率，导致需要更长的暂停时间执行内存回收)
• 垃圾收集开销：垃圾收集需要时间占总运行时间的比例
• 暂停时间：垃圾回收时，工作线程被暂停的时间(低暂停时间意味着低延迟，需要频繁进行内存回收，导致垃圾收集的总时间变大，吞吐量下降)
• 收集频率：相当于应用程序的执行，收集操作发生的频率
• 内存占用：堆区占用内存大小(内存越大意味着一次执行垃圾收集的时间越长，即延迟越大)
• 快速：一个对象从诞生到被回收经历的时间

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2.不同垃圾回收器概述

2.1 7个经典垃圾收集器

• 串行回收器：Serial(第一款GC)、Serial Old
• 并行回收器：ParNew(Serial多线程版本)、Parallel Scavenge、Parallel Old(JDK8默认使用Parallel Scavenge+Parallel Old)
• 并发回收器：CMS、G1(JDK9默认)

2.2 7个垃圾收集器和垃圾分代间的关系

2.3 垃圾收集器的组合关系

连线表示组合关系，虚拟表示废弃的组合或收集器

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3.Serial回收器-串行回收

3.1 Serial

• 客户端模式下默认的新生代垃圾收集器(因为它在单CPU下性能不错)

• 采用复制算法

• 串行回收且使用STW机制

3.2 Serial Old

• 采用标记压缩算法

• 串行回收且使用STW机制

• 客户端模式下默认的老年代垃圾收集器(因为它在单CPU下性能不错)

• 在服务端主要有两种用途：

  • 与新生代的Parallel Scavenge配合使用
  • 作为老年代CMS的后备垃圾收集方案

3.3 优缺点

• 优点
  • 简单且高效
  • 没有线程交互的开销(该收集器限定在单CPU)
  • 运行在客户端不错(因为客户端内存不大，单线程可在较短时间内完成垃圾收集)
• 缺点：
  • 该收集器在多核效率不高(现在机器都是多核)
  • 不适用交互性较强的应用

-XX:+UserSerialGC可以指定年轻代和老年代都使用Serial收集器

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4.ParNew回收器-并行回收

• Serial收集器的多线程版本

• 只能处理新生代

• 采用复制算法

• 并行回收且使用STW机制

• 很多JVM在服务端模式下默认的新生代垃圾收集器

对于新生代，由于回收次数频繁，所以使用并行方式高效；对于老年代，由于回收次数少，所以使用串行方式节省资源(多线程需要切换，消耗资源)。ParNew在新生代是并行回收，是不是就一定比Serial收集器高效？No!要分在单CPU环境还是多CPU环境

• 在多CPU环境下，ParNew可以充分利用多CPU，快速完成收集，提升吞吐量
• 在单CPU环境下，ParNew并不比Serial高效，因为Serial不需要切换线程，避免额外开销

-XX:+UserParNewGC可以指定年轻代使用ParNew

-XX:ParallelGCThreads限制线程数量

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5.Parallel回收器-吞吐量优先

5.1 Parallel Scavenge

在年轻代中ParNew收集器已经基于并行回收了，为什么还要Parallel Scavenge收集器？

• 与ParNew不同，Parallel Scavenge目标达到可控制的吞吐量
• 与ParNew不同，Parallel Scavenge存在自适应调节策略(年轻代的大小、Eden区和Survivor的比例等参数会被自动调整，达到堆大小、吞吐量和停顿时间间的平衡点)
• 采用复制算法
• 并行回收且使用STW机制
• JDK8默认的新生代收集器

高吞吐量可以高效利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合在后台计算且不需要太多交互的任务(如订单处理等)

5.2 Parallel Old

• 采用标记压缩算法
• 并行回收且使用STW机制
• JDK8默认的老年代收集器

-XX:+UserParallelGC可以指定年轻代使用Parallel Scavenge；-XX:+UserParallelOldGC可以指定老年代使用Parallel Old(这两个参数一个开启，默认另一个也会被开启)

-XX:ParallelGCThreads限制线程数量

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6.CMS回收器-低延迟

CMS：Concurrent-Mark-Sweep，JDK14已经被删除

6.1 四个阶段

CMS整个过程分为四个阶段：

• 初始标记阶段：用户线程会STW，垃圾回收线程只是标记出GC Roots能直接关联的对象，标记完就恢复线程，因为直接关联对象少，所以该阶段执行速度快

• 并发标记：从GC Roots的直接关联对象开始遍历所有对象，耗时较长但是不需要暂停用户线程

• 重新标记：在并发标记阶段，由于用户线程没有暂停所以可能会出现对象的变动。该阶段修正那部分变动对象的标记记录(被修正的变动对象是值原来是垃圾但是变更为非垃圾的对象，并不是因为用户线程执行由非垃圾而变为垃圾的对象)，相较于并发标记阶段时间短，但是用户线程需要STW

• 并发清除：清理标记阶段判断已死亡的对象，释放内存空间。由于不需要移动存活对象，所以该阶段可以与用户线程并发执行(不需要STW)

6.1 优点

• HotSpot中第一款真正意义的并发收集器(即第一次实现让垃圾收集线程和用户线程同时工作)
• 尽可能缩短垃圾收集时间(在初始标记和重新标记阶段还是存在短暂的STW)，即低延迟
• 采用标记清除算法
• 并发回收且使用STW机制
• 在老年代中使用

低延迟适用于与用户交互的程序，比如B/S系统的服务端与网站

6.2 缺点

• 会产生内存碎片(若干次GC后才进行一次碎片整理)，导致会出现无法分配大对象的情况下触发Full GC
• 总吞吐量降低(垃圾收集线程和用户线程并发执行相当于占用了部分用户线程，即对CPU资源敏感)
• 无法处理浮动垃圾(并发标记阶段如果产生新的垃圾对象，CMS无法对这些垃圾对象进行标记，这些对象不会被及时回收，只能等下次GC)

由于在CMS垃圾收集中用户线程没有中断，所以要确保用户线程由足够内存可以使用，所以CMS不能等老年代完全被填满再收集，而是等堆内存使用率达到阈值后开始回收。

如果预留内存无法满足用户线程使用，则出现Concurrent Mode Failure，JVM会临时启动Serial Old重新进行老年代收集(用户线程停顿时间就变长了)

标记清除算法会产生内存碎片，为什么不使用标记压缩算法？

采用压缩算法整理内存时，对象地址会被修改，而用户线程还在运行，其使用的内存被压缩整理后无法使用

-XX:+UserConcMarkSweepGC可以指定老年代使用CMS，开启后会自动开启ParNew

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7.G1回收器-区域化分代式

7.1 介绍

• 目标是在延迟可控(即低的STW时间)的情况下获得尽可能高的吞吐量

• 把堆划分为不相关的区域Region(物理上不连续)，用于表示Eden区、survivor0、survivor1、老年代等

• 进行全区域的垃圾回收

• 每次根据允许的收集时间，优先回收价值较大的Region(Garbage First命名由来)：

  • 它会跟踪每个Region中垃圾堆积的价值(即回收后获得空间大小和需要时间的经验值)，并在后台维护优先列表

• 针对多核CPU和大容量内存的机器(如服务端应用)

• JDK9后默认垃圾回收器

-XX:+UseG1GC：指定G1收集器

-XX:G1HeapRegionSize：设置Region的大小

-XX:MaxGCPauseMillis：设置期望达到的最大GC停顿时间指标

7.2 优点

• 并行和并发：
  • 并行性：G1可以有多个GC线程同时工作，当然用户线程还是会STW
  • 并发性：G1的部分工作可以和应用程序同时执行，即不会在整个回收阶段完全阻塞应用程序
• 分代收集：
  • 依旧属于分代型垃圾回收器，只不过从堆结构上不要求Eden区、survivor区和老年代是连续的，也不固定大小和数量
  • 同时兼顾了年轻代和老年代
  • 将堆空间分为若干区域，这些区域包含了逻辑上的年轻代和老年代

• 空间整合：
  • G1将内存划分为多个Region，回收时以Region为单位
  • Region之间采用复制算法，但是从整体上看做标记压缩算法(避免了内存碎片，堆越多G1的优势越明显)
• 可预测的停顿时间模型：即能让使用者指定在M毫秒的时间片内，消耗垃圾收集上的时间不超过N毫秒
  • G1可只选取部分区域进行回收(控制了回收时间)
  • 每次根据允许收集的时间，优先回收价值较大的Region，保证了在有限时间内较高的收集效率

7.3 缺点

• 相较于CMS，G1在GC时占用的内存和负载都要高
• 在小内存应用上CMS表现大概率优于G1

7.4 什么是Region？

• 所有Region大小一样，为2的幂次方
• 一个Region可能属于Eden(E)、Survivor(S)或Old(O)区域中的某个角色(当然被回收后可以成为其他角色)，同时加入了Humongous(H)区，用于存储大对象(对象超过了1.5个Region就放到H)

为什么要设置H？对于堆中的大对象默认直接放到老年代，但如果它只是短期存在的大对象，而老年代回收频率低，相当于内存泄漏(该对象要被收集却因为清除频率低未被收集)，所以使用H区装大对象(如果一个H区装不下就找连续的H区，找不到连续的H区就Full GC)

7.5 垃圾回收过程

• 年轻代GC：使用并行(多个垃圾回收线程)独占式(出现STW)收集器
• 老年代并发标记：堆内存使用达到一定值(默认45%)开始老年代并发标记过程
• 混合回收：包括年轻代GC和老年代GC

7.5.1 什么是Remembered Set?

一个Region对象可能会被其他Region引用，意味着回收年轻代时还需要扫描老年代(即对整个堆进行扫描，相当于Full GC了)，降低了GC效率，如何避免这种扫描？

• 每个Region都有对应的一个Remembered Set

• 对每个引用类型数据进行写操作时(即引用其他对象)，会产生一个写屏障暂停中断，然后检查要引用的对象是否和引用类型数据在同一个Region中：

  • 不在同一个则通过CardTable把引用信息记录到引用类型对象所在的Region的Remembered Set(记录这个Region清理时需要扫描哪几个Region，判断其他Region是否还引用它)

• 垃圾收集时，把Remembered Set加入到GC Roots(回收年轻代时，老年代的对象相当于GC Roots)的枚举范围中

7.5.2 年轻代GC

• 首先G1停止应用程序，并且创建回收集(需要被回收的内存分段集合，年轻代GC时该集合包括所有Eden区和Survivor区)

• 然后开始以下过程：

  • 扫描GC Roots和Remembered Set引用的对象(避免全堆扫描)
  • 更新Remembered Set，保证Remembered Set
  • 处理Remembered Set
  • 复制对象(即把Eden区存活的对象复制到Survivor区空的内存段)
  • 处理引用

7.5.3 并发标记过程

• 初始标记阶段
• 根区域扫描
• 并发标记
• 再次标记
• 独占清理
• 并发处理阶段

7.5.4 混合回收

回收全部年轻代和部分老年代

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总结

不同垃圾收集器的区别

如何选择垃圾回收器？

• 优先调整堆的大小，让JVM自适应完成
• 如果内存小于100M，使用串行收集器
• 如果是单核/单机程序且没有停顿时间要求，使用串行收集器
• 如果是多CPU、需要高吞吐量且允许停顿时间超过1S，使用并行收集器
• 如果是多CPU、追求低停顿时间(即低延迟)，使用并发收集器

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