Java虛擬機—垃圾收集器（整理版）

1.概述

　　若是說收集算法是內存回收的方法論，那麼垃圾收集器就是內存回收的具體實現。Java虛擬機規範中對垃圾收集器應該如何實現並無規定，所以不一樣的廠商、不一樣版本的虛擬機所提供的垃圾收集器均可能會有很大差異，而且通常都會提供參數供用戶根據本身的應用特色和要求組合出各個年代所使用的收集器。這裏討論的收集器基於JDK 1.7 Update 14以後的HotSpot虛擬機（在這個版本中正式提供了商用的G1收集器，以前G1仍處於實驗狀態）。

1.1 垃圾收集器組合

這個虛擬機包含的全部收集器如圖所示：

     

　　（A）圖3-5展現了7種做用於不一樣分代的收集器：

　　　　　Serial、ParNew、Parallel Scavenge、Serial Old、Parallel Old、CMS、G1；

　　（B）虛擬機所處的區域，則表示它是屬於新生代收集器仍是老年代收集器；

　　　　  新生代收集器：Serial、ParNew、Parllel Scavenge；

　　　　  老年代收集器：Serial Old、Parllel Old、CMS；

　　　　  整堆收集器：G1；

　　（C）若是兩個收集器之間存在連線，就說明它們能夠搭配使用。

　　　　　Serial/Serial Old、Serial/CMS、ParNew/Serial Old、ParNew/CMS、Parallel Scavenge/Serial Old、Parallel Scanvenge/Parallel Old、G1；

　　（D）其中Serial Old做爲CMS出現「Concurrent Mode Failure」失敗後的後備預案。

1.2 Minor GC和Full GC的區別

Minor GC：又稱新生代GC，指發生在新生代的垃圾收集動做；由於Java對象大可能是朝生夕滅，因此Minor GC很是頻繁，通常回收速度也比較快；

Full GC：又稱爲Major GC或老年代GC，指發生在老年代的GC；出現Full GC常常會伴隨至少一次的Minor GC（不是絕對，Parallel Scavenge收集器就能夠選擇設置Major GC策略）；Major GC速度通常比Minor GC慢10倍以上。

2. 新生代收集器 

2.1 Serial收集器 

　　Serial 收集器是最基本、發展歷史最悠久的收集器，曾經（在JDK1.3.1以前）是虛擬機新生代收集的惟一選擇。這個收集器是一個單線程的收集器，但它的」單線程「的意義並不只僅說明它只會使用一個CPU或一條收集線程去完成垃圾收集工做，更重要的是在它進行垃圾收集時，必須暫停其餘全部的工做線程，直到它收集結束。」STOP The World「這項工做是由虛擬機在後臺自動發起和自動完成的，在用戶不可見的狀況下把用戶正常工做的線程所有停掉，這對 不少應用來講都是難以接受的。下圖示意了Serial/Serial Old收集器的運行過程。

　　

　　Serial收集器依然是虛擬機運行在Client模式下的默認新生代收集器。它有着優於其餘收集器的地方：簡單而高效（與其餘收集器的單線程比），對於限定單個CPU的環境來講，Serial收集器因爲沒有線程交互的開銷，專心作垃圾收集天然能夠得到最高的單線程收集效率。因此，Serial收集器對於運行在Client模式下的虛擬機來講是一個很好的選擇。

2.2 ParNew收集器 

　　ParNew（ParNew是parallel new的簡寫）收集器其實就是Serial收集器的多線程版本，除了使用多條線程進行垃圾收集以外，其他行爲包括Serial收集器可用的全部控制參數（例如：-XX：SurvivorRatio、-XX：PretenureSizeThreshold、-XX：HandlePromotionFailure等）、收集算法、Stop The World、對象分配規則、回收策略等都與Serial收集器徹底同樣，在實現上，這兩種收集器也共用了至關多的代碼。ParNew/Serial Old收集器的工做過程如圖所示：

 

　　ParNew收集器除了多線程收集以外，其餘與Serial收集器相比並無太多創新之處，但它倒是許多運行在Server模式下的虛擬機中首選的新生代收集器，其中有一個與性能無關但很重要的緣由是，除了Serial收集器外，目前只有它能與CMS收集器配合工做。在JDK1.5時期，HotSpot推出了一款在強交互應用中幾乎可認爲有劃時代意義的垃圾收集器——CMS收集器（Concurrent Mark Sweep），這款收集器是HotSpot虛擬機中第一款真正意義上的併發（Concurrent）收集器，它第一次實現了讓垃圾收集線程與用戶線程（基本上）同時工做，用例子說明就是作到了在你媽媽打掃房間的時候你還能一邊往地上扔紙屑。

　　不幸的是，CMS做爲老年代的收集器，卻沒法與JDK1.4.0中已經存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工做，因此在JDK1.5中使用CMS來收集老年代的時候，新生代只能選擇ParNew或者Serial收集器中的一個。ParNew收集器也是使用-XX：UseConcMarkSweepGC選項後的默認新生代收集器，也可使用-XX：+UserParNewGC選項來強制指定它。

　　ParNew收集器在單CPU的環境中絕對不會有比Serial收集器更好的效果，甚至因爲存在線程交互的開銷，該收集器在經過超線程技術實現的兩個CPU的環境中都不能百分百地保證能夠超越Serial收集器。固然，隨着可使用的CPU的數量的增長，它對於GC時系統資源的有效利用仍是頗有好處的。它默認開啓的收集線程數與CPU的數量相同，在CPU很是多（譬如32個，如今CPU動輒就4核加超線程，服務器超過32個邏輯CPU的狀況愈來愈多了）的環境下，可使用-XX：ParallelGCThreads參數來限制垃圾收集的線程數。

　　注意：從ParNew收集器開始，後面還會接觸到幾款併發和並行的收集器。併發和並行都是併發編程中的概念，在垃圾收集器的上下文語境中，它們能夠解釋以下。

• 並行（Parallel）：指多條垃圾收集線程並行工做，但此時用戶線程仍然處於等待狀態。
• 併發（Concurrent）：指用戶線程與垃圾收集線程同時執行（但不必定是並行的，可能會交替執行），用戶程序在繼續運行，而垃圾收集程序運行於另外一個CPU上。

2.3 Parallel Scanvenge收集器 

　　Parallel Scavenge收集器是一個新生代收集器，它也是使用複製算法的收集器，又是並行的多線程收集器。

　　Parallel Scavenge收集器的特色是它的關注點與其餘收集器不一樣，CMS等收集器的關注點是儘量地縮短垃圾收集時用戶線程的停頓時間，而Parallel Scavenge收集器的目標則是達到一個可控制的吞吐量（Throughput）。所謂吞吐量就是CPU用於運行用戶代碼的時間與CPU總消耗時間的比值，即吞吐量 = 運行用戶代碼時間 /（運行用戶代碼時間 + 垃圾收集時間），虛擬機總共運行了100分鐘，其中垃圾收集花掉1分鐘，那吞吐量就是99%。

　　停頓時間越短就越適合須要與用戶交互的程序，良好的響應速度能提高用戶體驗，而高吞吐量則能夠高效率地利用CPU時間，儘快完成程序的運算任務，主要適合在後臺運算而不須要太多交互的任務。

　　Parallel Scavenge收集器提供了兩個參數用於精確控制吞吐量，分別是控制最大垃圾收集停頓時間的 -XX：MaxGCPauseMillis參數以及直接設置吞吐量大小的-XX：GCTimeRatio參數。

　　MaxGCPauseMillis參數容許的值是一個大於0的毫秒數，收集器將盡量地保證內存回收花費的時間不超過設定值。不過你們不要認爲若是把這個參數的值設置得稍小一點就能使得系統的垃圾收集速度變得更快，GC停頓時間縮短是以犧牲吞吐量和新生代空間來換取的；系統把新生代調小一些，收集300MB新生代確定比收集500MB快吧，這也直接致使垃圾收集發生得更頻繁一些，原來10秒收集一次、每次停頓100毫秒，如今變成5秒收集一次、每次停頓70毫秒。停頓時間的確在降低，但吞吐量也降下來了。

　　GCTimeRatio參數的值應當是一個大於0且小於100的整數，也就是垃圾收集時間佔總時間的比率，至關因而吞吐量的倒數。若是把此參數設置爲19，那容許的最大GC時間就佔總時間的5%（即1 / （1 + 19）），默認值爲99，就是容許最大1%（即1 / （1 + 99））的垃圾收集時間。

　　因爲與吞吐量關係密切，Parallel Scavenge收集器也常常稱爲「吞吐量優先」收集器。除上述兩個參數以外，Parallel Scavenge收集器還有一個參數-XX：+UseAdaptiveSizePolicy值得關注。這是一個開關參數，當這個參數打開以後，就不須要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden與Survivor區的比例（-XX：SurvivorRatio）、晉升老年代對象年齡（-XX：PretenureSizeThreshold）等細節參數了，虛擬機會根據當前系統的運行狀況收集性能監控信息，動態調整這些參數以提供最合適的停頓時間或者最大的吞吐量，這種調節方式稱爲GC自適應的調節策略（GC Ergonomics）。自適應調節策略是Parallel Scavenge收集器與ParNew收集器的一個重要區別。

3. 老年代收集器

3.1 Serial Old收集器 

　　Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它一樣是一個單線程收集器，使用「標記-整理」算法。這個收集器的主要意義也是在於給Client模式下的虛擬機使用。若是在Server模式下，那麼它主要還有兩大用途：一種用途是在JDK1.5以及以前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用，另外一種用途就是做爲CMS收集器的後備預案，在併發收集發生Concurrent Mode Failure時使用。Serial Old收集器的工做過程如圖所示：

　　

3.2 Parallel Old收集器 

 　　Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和「標記-整理」算法。這個收集器是在JDK1.6中才開始提供的，在此以前，新生代的Parallel Scavenge收集器一直處於比較尷尬的狀態。緣由是，若是新生代選擇了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old（PS MarkSweep）收集器外別無選擇。因爲老年代Serial Old收集器在服務端應用性能上的「拖累」，使用了Parallel Scavenge收集器也未必能在總體應用上得到吞吐量最大化的效果，因爲單線程的老年代收集中沒法充分利用服務器多CPU的處理能力，在老年代很大並且硬件比較高級的環境中，這種組合的吞吐量甚至還不必定有ParNew加CMS的組合「給力」。

　　直到Parallel Old收集器出現後，「吞吐量優先」收集器終於有了比較名副其實的應用組合，在注重吞吐量以及CPU資源敏感的場合，均可以優先考慮Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。Parallel Old收集器的工做過程如圖所示：

　　

3.3 CMS收集器 

　　CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時間爲目標的收集器。目前很大一部分的Java應用集中在互聯網站或者B/S系統的服務端上，這類應用尤爲重視服務的響應速度，但願系統停頓時間最短，以給用戶帶來較好的體驗。CMS收集器就很是符合這類應用的需求。

　　從名字（包括「Mark Sweep」）上就能夠看出，CMS收集器是基於「標記-清除」算法實現的，它的運做過程相對於前面幾種收集器來講更復雜一些，整個過程分爲4個步驟，包括：

• 初始標記（CMS initial mark）
• 併發標記（CMS concurrent mark）
• 從新標記（CMS remark）
• 併發清除（CMS concurrent sweep）

　　其中，初始標記、從新標記這兩個步驟仍然須要「Stop The World」。初始標記僅僅只是標記一下GC Roots能直接關聯到的對象，速度很快，併發標記階段就是進行GC Roots Tracing的過程，而從新標記階段則是爲了修正併發標記期間因用戶程序繼續運做而致使標記產生變更的那一部分對象的標記記錄，這個階段的停頓時間通常會比初始標記階段稍長一些，但遠比並發標記的時間短。　　

　　因爲整個過程當中耗時最長的併發標記和併發清除過程收集線程均可以與用戶線程一塊兒工做，因此，從整體上來講，CMS收集器的內存回收過程是與用戶線程一塊兒併發執行的。經過下圖能夠比較清楚地看到CMS收集器的運做步驟中併發和須要停頓的時間。

　　

　　CMS是一款優秀的收集器，它的主要優勢在名字上已經體現出來了：併發收集、低停頓。但CMS有如下3個明顯的缺點：

1. CMS收集器對CPU資源很是敏感。在併發階段，它雖然不會致使用戶線程停頓，可是會由於佔用了一部分線程（或者說CPU資源）而致使應用程序變慢，總吞吐量會下降。CMS默認啓動的回收線程數是（CPU數量+3）/4，也就是當CPU在4個以上時，併發回收時垃圾收集線程很多於25%的CPU資源，而且隨着CPU數量的增長而降低。可是當CPU不足4個（譬如2個）時，CMS對用戶程序的影響就可能變得很大，若是原本CPU負載就比較大，還分出一半的運算能力去執行收集器線程，就可能致使用戶程序的執行速度突然下降了50%。
2. CMS收集器沒法處理浮動垃圾，可能出現「Concurrent Mode Failure」失敗而致使另外一次Full GC的產生。因爲CMS併發清理階段用戶線程還在運行着，伴隨程序運行天然就還會有新的垃圾不斷產生，這一部分垃圾出如今標記過程以後，CMS沒法在當次收集中處理掉它們，只好留待下一次GC時再清理掉。這一部分垃圾就稱爲「浮動垃圾」。所以CMS收集器不能像其餘收集器那樣等到老年代幾乎徹底被填滿了再進行收集，須要預留一部分空間提供併發收集時的程序運做使用。
3. 還有最後一個缺點，CMS是一款基於「標記-清除」算法實現的收集器，這意味着收集結束時會有大量空間碎片產生。空間碎片過多時，將會給大對象分配帶來很大麻煩，每每會出現老年代還有很大空間剩餘，可是沒法找到足夠大的連續空間來分配當前對象，不得不提早觸發一次Full GC。爲了解決這個問題，CMS收集器提供了一個-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection開關參數（默認就是開啓的），用於在CMS收集器頂不住要進行FullGC時開啓內存碎片的合併整理過程，內存整理的過程是沒法併發的，空間碎片問題沒有了，但停頓時間不得不變長。虛擬機設計者還提供了另一個參數-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction，這個參數是用於設置執行屢次不壓縮的Full GC後，跟着來一次帶壓縮的（默認值爲0，表示每次進入Full GC時都進行碎片整理）。

4. 整堆收集器

4.1 G1收集器

　　G1（Garbage-First）收集器是當今收集器技術發展的最前沿成果之一。

　　G1是一款面向服務端應用的垃圾收集器。HotSpot開發團隊賦予它的使命是（在比較長期的）將來能夠替換掉JDK 1.5中發佈的CMS收集器。與其餘GC收集器相比，G1具有以下特色。

• 並行與併發：G1能充分利用多CPU、多核環境下的硬件優點，使用多個CPU來縮短Stop-The-World停頓的時間，部分其餘收集器本來須要停頓Java線程執行的GC動做，G1收集器仍然能夠經過併發的方式讓Java程序繼續執行。
• 分代收集：與其餘收集器同樣，分代概念在G1中依然得以保留。雖然G1能夠不須要其餘收集器配合就能獨立管理整個GC堆，但它可以採用不一樣的方式取處理新建立的對象和已經存活了一段時間、熬過屢次GC的舊對象以獲取更好的收集效果。
• 空間整合：與CMS的「標記-清理」算法不一樣，G1從總體來看是基於「標記-整理」算法實現的收集器，從局部（兩個Region之間）上來看是基於「複製」算法實現的，但不管如何，這兩種算法都意味着G1運做期間不會產生內存空間碎片，收集後能提供規整的可用內存。這種特性有利於程序長時間運行，分配大對象時不會由於沒法找到連續內存空間而提早觸發下一次GC。
• 可預測的停頓：這是G1相對於CMS的另外一大優點，下降停頓時間是G1和CMS共同的關注點，但G1除了追求低停頓外，還能創建可預測的停頓時間模型，能讓使用者明確指定在一個長度爲M毫秒的時間片斷內，消耗在垃圾收集上的時間不得超過N毫秒，這幾乎已是實時Java（RTSJ）的垃圾收集器的特徵了。

　　在G1以前的其餘收集器進行收集的範圍都是整個新生代或者老年代，而G1再也不是這樣。使用G1收集器時，Java堆的內存佈局就與其餘收集器很很大差異，它將整個Java堆劃分爲多個大小相等的獨立區域（Region），雖然還保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代再也不是物理隔離的，它們都是一部分Region（不須要連續）的集合。

　　G1收集器之因此能創建可預測的停頓時間模型，是由於它能夠有計劃地避免在整個Java堆中進行全區域的垃圾收集。G1跟蹤各個Region裏面的垃圾堆積的價值大小（回收所得到的空間大小以及回收所需時間的經驗值），在後臺維護一個優先列表，每次根據容許的收集時間，優先回收價值最大的Region（這也就是Garbage-First名稱的來由）。這種使用Region劃份內存空間以及有優先級的區域回收方式，保證了G1收集器在有限的時間內能夠獲取儘量高的收集效率。

　　G1收集器的運做大體可劃分爲如下幾個步驟：

• 初始標記（Initial Marking）
• 併發標記（Concurrent Marking）
• 最終標記（Final Marking）
• 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation）

　　G1收集器的運做步驟中併發和須要停頓的階段：

　　

總結

參考資料：

《深刻理解Java虛擬機 JVM高級特性與最佳實踐》第二版

http://www.javashuo.com/article/p-bduzcdee-a.html