JVM垃圾收集器专题

垃圾收集器：利用垃圾收集算法，实现垃圾回收的实践落地。

1 HotSpot垃圾回收器

HotSpot垃圾回收器有多个，可以配合使用。

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1.1 垃圾回收的一些术语

术语: Stop the world

简写为STW，也叫全局停顿，Java代码停止运行，native代码继续运行，但不能与JVM进行交互。

STW主要是为了GC操作的准确性和效率。用户线程不停止的话，会不断有新对象和垃圾对象产生，假设没有STW，会导致GC时间过长，错误清理新对象等情况。

原因：多半由于垃圾回收导致；也可能是Dump线程、死锁检查、Dump堆等导致。

危害：服务停止、没有响应；主从切换（对于高可用环境，如果停顿时间过长，会引发主从之间的切换）、危害生产安全。

因此，尽量缩短Stop the world的时间。

术语–并行收集 VS 并发收集

并行收集：指多个垃圾收集线程并行工作，但是在收集的过程中，用户线程（你的业务线程）还是处于等待状态的

并发收集：指用户线程与垃圾收集线程同时工作

术语– 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

公式：运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)

2 新生代垃圾收集器（与老年代收集器配合使用）

2.1 Serial收集器

Serial 收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器，采用复制算法。采用单线程操作，收集过程中全程STW。

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适用场景有：

  • 客户端程序，应用以-client 模式运行时，默认使用的就是Serial（java -client -jar 运行）
  • 单核机器

2.2 ParNew收集器

Serial收集器的多线程版，除使用多线程以外，其他和Serial收集器一样，包括：JVM参数、Stop the world表现、垃圾收集算法都是一样的。可使用 -XX:ParallelGCThreads设置垃圾收集的线程数。主要和CMS垃圾收集器配合使用。

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2.3 ParallelScavenge收集器

ParallelScavenge收集器，是吞吐量优先收集器，也是采用复制算法，也是多线程的。执行过程与ParNew收集器类似。

Parallel Scavenge收集器适用于注重吞吐量的场景。

Parallel Scavenge收集器特点

可以达到一个可控制的吞吐量

  • -XX:MaxGCPauseMillis:控制最大的垃圾收集停顿时间(尽力)

  • -XX:GCTimeRatio：设置吞吐量的大小，取值0-100，系统花费不超过1/(1+n)的时间用于垃圾收集

自适应GC策略：可用-XX:+UseAdptiveSizePolicy打开

  • 打开自适应策略后，无需手动设置新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRatio）等参数虚拟机会自动根据系统的运行状况收集性能监控信息，动态地调整这些参数，从而达到最优的停顿时间以及最高的吞吐量。

3 老年代收集器（与新生代收集器配合使用）

3.1 Serial Old收集器

Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，单线程，采用的是标记-整理算法，垃圾收集过程Stop The World。

可以与上面三个新生代收集器配合使用；当CMS收集器出现故障时，作为后备处理器。

3.2 Parallel Old收集器

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，只能与Parallel Scavenge收集器配合使用，同样是注重对吞吐量要求较高的场景。

Parallel Old收集器，采用多线程，标记-整理算法，垃圾收集过程Stop The World。

3.3 CMS收集器（JDK9废弃）

CMS: Concuerrent mark sweep(并发标记收集器)，采用标记-清除算法。

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CMS执行过程的七个阶段：

  1. 初始标记：标记GC Roots能直接关联的对象，触发短暂STW操作。
  2. 并发标记：找出所有GC Roots能关联的对象。并发执行，不会触发STW。
  3. 并发预清理阶段（可选）：重新标记在并发标记阶段引用被更新的对象，从而减少后面重新标记的工作量。并发执行，不会触发STW。可使用-XX:-CMSPrecleaningEnabled关闭并发预清理阶段，默认打开。
  4. 并发可中止的预清理阶段（可选）：和并发预清理做的事情一样，并发执行，无 Stop The World。预清理后，当Eden的使用量大于CMSScheduleEdenSizeThreshold的阈值（默认2M）时，才会执行该阶段。主要作用是允许我们能够控制预清理阶段的结束时机。
  5. 重新标记阶段：修正并发标记期间，因为用户程序继续运行，导致标记发生变动的那些对象的标记。一般来说，重新标记花费的时间会比初始标记阶段长一些，但比并发标记的时间短。存在 Stop The World。
  6. 并发清除阶段：基于标记结果，清除垃圾对象。并发执行，无STW。使用标记清除算法，因为标记整理涉及数据位置，并发情况难以实现。
  7. 并发重置阶段：清除本地CMS GC的上下文信息，为下次GC做准备。

CMS收集器的优缺

优点：STW时间较短，大多数过程并发执行。

缺点：

  1. 垃圾回收并发执行时，会与用户线程有一定CPU资源争抢，影响吞吐量；
  2. CMS只在标记的时候STW，清除时无STW，无法处理浮动垃圾；
  3. 采用标记-清除法，导致内存碎片的产生；
    1. 可以使用UseCMSCompactAtFullCollection:在完成Full GC后是否要进行内存碎片整理，默认开启。CMSFullGCsBeforeCompaction:进行几次Full GC后就进行一次内存碎片整理，默认是0。
  4. 无法等到老年代几乎满了才开始垃圾收集。
    1. 执行过程中多个阶段没有STW操作，会不断有对象晋升到老年代，当老年代预留的内存不够时，会导致Concurrent Mode Failure，从而切换成后备老年代收集器 Serial Old。
    2. 可使用 CMSInitiatingOccupancyFraction设置老年代占比达到多少就触发垃圾收集，默认68％。

CMS适用于希望系统停顿时间短，响应速度快的场景，例如Web。

扩展：并发预处理、并发中断预处理

1、首先，CMS是一个关注停顿时间，以回收停顿时间最短为目标的垃圾回收器。并发预处理阶段做的工作是标记，重标记需要STW（Stop The World），因此重标记的工作尽可能多的在并发阶段完成来减少STW的时间。此阶段标记从新生代晋升的对象、新分配到老年代的对象以及在并发阶段被修改了的对象。
2、并发可中断预清理(Concurrent precleaning)是标记在并发标记阶段引用发生变化的对象，如果发现对象的引用发生变化，则JVM会标记堆的这个区域为Dirty Card。那些能够从Dirty Card到达的对象也被标记（标记为存活），当标记做完后，这个Dirty Card区域就会消失。CMS有两个参数：CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold、CMSScheduleRemarkEdenPenetration，默认值分别是2M、50%。两个参数组合起来的意思是预清理后，eden空间使用超过2M时启动可中断的并发预清理（CMS-concurrent-abortable-preclean），直到eden空间使用率达到50%时中断，进入重新标记阶段。

4 G1收集器

G1(Garbge First)，面向服务端应用，可以同时用于新生代和老年代。

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G1收集器使用Region作为单位，包括四种类型，分别为Eden、Survior、Old和Humongous，通过参数-XX:G1HeapRegionSize指定Region的大小，取值范围为1MB ~ 32 MB之间。

前三种Region仍然是伊甸园、存活区、老年代，Humongous用来存储大对象，对象过大可以存储到连续的Humongous中。Old和Humongous同属于老年代。

G1收集器的设计思想：将内存分成很多小块（Region），跟踪每个Region中垃圾堆积的价值大小，构建一个优先列表，根据允许的收集时间，优先回收价值最高的Region。其中价值大小指的是回收该Region能获得的空间大小以及回收所需要的时间成本。

4.1 G1收集器的垃圾回收机制

主要分为三种，Young GC、Mixed GC、Full GC。

4.1.1 Young GC

所有Eden Region都满了的时候，就会触发Young GC。

  • Eden中存活的对象转移到Survior Region；
  • 原先 Survivor Region中的对象转移到新的 Survivor Region中，或者晋升到Old Region。
  • 空闲 Region会被放入空闲列表中，等待下次被使用。

4.1.2 Mixed GC

老年代大小占整个堆的百分比达到一定阈值（可用-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent指定，默认45％），就触发Mixed GC，会回收所有 Young Region，同时回收部分 Old Region。

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执行过程分为四步：

  1. 初始标记：跟CMS类似，标记处GC Roots能直接关联到的对象，存在短暂STW。

  2. 并发标记：跟CMS类似，找出所有GC Roots能关联的对象。并发执行，不会触发STW。

  3. 最终标记：更新在并发标记期间引起的变更，存在STW。

  4. 筛选回收：首先对各个Region的回收价值和成本排序，根据用户所期望的停顿时间指定回收计划，筛选出合适的Region回收。停顿时间：MaxGCPauseMillis。

    回收过程：将Region的存活对象复制到空闲Region中，然后删除原Region，是复制算法，无内存碎片，过程存在STW。

G1收集器Mixed GC除了并发标记以外的过程都是STW的，由于一次只回收一部分Region，所以停顿时间可控。

4.1.3 Full GC

复制对象内存不够，或者无法分配足够的内存（例如大对象无法分配连续的内存），就会触发Full GC。Full GC机制采用单线程的Serial Old模式。

因此G1收集器的优化原则是，尽可能的减少Full GC。

4.2 G1优化原则：减少Full GC

  1. 增加预留内存（增大-XX:G1 Reserve Percent，默认为堆的10％）
  2. 更早地回收垃圾（减少- XX: InitiatingHeapOccupancyPercent，老年代达到该值就触发 Mixed GC，默认45％
  3. 增加并发阶段使用的线程数（增大-XX: ConcGCThreads）

上面三点大白话总结：多留一点内存，有内存可以分配；有垃圾早点回收；垃圾回收快点。

4.3 G1收集器的使用

G1收集器作用于整个堆，可以控制停顿时间（MaxGCPauseMillis=200），并且没有内存碎片。

G1收集器占用内存较大（通常需要6G以上），可以代替CMS收集器。对于JDK8，主要根据内存选择，内存小于6G，选CMS；内存大于6G，使用G1。CMS在JDK9中被废弃，高于JDK8的版本可以选G1。

5 实验收集器

截止目前JDK14依然处于实验状态

  • Shenandoah（IBM开发，是ZGC竞品，进入OpenJDK，被Oracle JDK12剔除。）

  • ZGC（一款革命性的收集器）

  • Epsilon：不干活的垃圾收集器。

    • 控制内存分配，但是不执行垃圾回收工作，堆耗尽就直接关闭JVM。

6 如何选择垃圾收集器？

从理论出发主要有下面几点。

  1. 项目主要关注矛盾点。例如吞吐量（Parallel）、访问延迟（CMS/G1）、应用启动速度
  2. 基础设施：CPU、内存等
  3. JDK版本。例如JDK6没有G1，Oracle JDK没有Shenandoah。
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