JVM GC參數以及GC算法的應用

以前一篇Blog已經將GC的機制以及GC的算法講了一下。

而這篇Blog主要是討論這些GC的算法在JVM中的不一樣應用。

1. 串行收集器

串行收集器是最古老，最穩定以及效率高的收集器
可能會產生較長的停頓，只使用一個線程去回收
-XX:+UseSerialGC

• 新生代、老年代使用串行回收
• 新生代複製算法
• 老年代標記-壓縮

串行收集器的日誌輸出：

0.844: [GC 0.844: [DefNew: 17472K->2176K(19648K), 0.0188339 secs] 17472K->2375K(63360K), 0.0189186 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs]

8.259: [Full GC 8.259: [Tenured: 43711K->40302K(43712K), 0.2960477 secs] 63350K->40302K(63360K), [Perm : 17836K->17836K(32768K)], 0.2961554 secs] [Times: user=0.28 sys=0.02, real=0.30 secs]

2. 並行收集器

2.1 ParNew

-XX:+UseParNewGC（new表明新生代，因此適用於新生代）

• 新生代並行
• 老年代串行

Serial收集器新生代的並行版本
在新生代回收時使用複製算法
多線程，須要多核支持
-XX:ParallelGCThreads 限制線程數量

 

並行收集器的日誌輸出：

0.834: [GC 0.834: [ParNew: 13184K->1600K(14784K), 0.0092203 secs] 13184K->1921K(63936K), 0.0093401 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

2.2 Parallel收集器

相似ParNew
新生代複製算法
老年代標記-壓縮
更加關注吞吐量
-XX:+UseParallelGC 

• 使用Parallel收集器+ 老年代串行

-XX:+UseParallelOldGC

• 使用Parallel收集器+ 老年代並行

Parallel收集器的日誌輸出：

1.500: [Full GC [PSYoungGen: 2682K->0K(19136K)] [ParOldGen: 28035K->30437K(43712K)] 30717K->30437K(62848K) [PSPermGen: 10943K->10928K(32768K)], 0.2902791 secs] [Times: user=1.44 sys=0.03, real=0.30 secs]

2.3 其餘GC參數

-XX:MaxGCPauseMills

• 最大停頓時間，單位毫秒
• GC盡力保證回收時間不超過設定值

-XX:GCTimeRatio

• 0-100的取值範圍
• 垃圾收集時間佔總時間的比
• 默認99，即最大容許1%時間作GC

這兩個參數是矛盾的。由於停頓時間和吞吐量不可能同時調優

3. CMS收集器

• Concurrent Mark Sweep 併發標記清除（應用程序線程和GC線程交替執行）
• 使用標記-清除算法
• 併發階段會下降吞吐量（停頓時間減小，吞吐量下降）
• 老年代收集器（新生代使用ParNew）
• -XX:+UseConcMarkSweepGC

CMS運行過程比較複雜，着重實現了標記的過程，可分爲

1. 初始標記（會產生全局停頓）

• 根能夠直接關聯到的對象
• 速度快

2. 併發標記（和用戶線程一塊兒）

• 主要標記過程，標記所有對象

3. 從新標記 （會產生全局停頓）

• 因爲併發標記時，用戶線程依然運行，所以在正式清理前，再作修正

4. 併發清除（和用戶線程一塊兒）

• 基於標記結果，直接清理對象

這裏就能很明顯的看出，爲何CMS要使用標記清除而不是標記壓縮，若是使用標記壓縮，須要多對象的內存位置進行改變，這樣程序就很難繼續執行。可是標記清除會產生大量內存碎片，不利於內存分配。

CMS收集器的日誌輸出：

1.662: [GC [1 CMS-initial-mark: 28122K(49152K)] 29959K(63936K), 0.0046877 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
1.666: [CMS-concurrent-mark-start]
1.699: [CMS-concurrent-mark: 0.033/0.033 secs] [Times: user=0.25 sys=0.00, real=0.03 secs] 
1.699: [CMS-concurrent-preclean-start]
1.700: [CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
1.700: [GC[YG occupancy: 1837 K (14784 K)]1.700: [Rescan (parallel) , 0.0009330 secs]1.701: [weak refs processing, 0.0000180 secs] [1 CMS-remark: 28122K(49152K)] 29959K(63936K), 0.0010248 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
1.702: [CMS-concurrent-sweep-start]
1.739: [CMS-concurrent-sweep: 0.035/0.037 secs] [Times: user=0.11 sys=0.02, real=0.05 secs] 
1.739: [CMS-concurrent-reset-start]
1.741: [CMS-concurrent-reset: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

CMS收集器特色：

儘量下降停頓
會影響系統總體吞吐量和性能

• 好比，在用戶線程運行過程當中，分一半CPU去作GC，系統性能在GC階段，反應速度就降低一半

清理不完全

• 由於在清理階段，用戶線程還在運行，會產生新的垃圾，沒法清理

由於和用戶線程一塊兒運行，不能在空間快滿時再清理（由於也許在併發GC的期間，用戶線程又申請了大量內存，致使內存不夠）

• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction設置觸發GC的閾值
• 若是不幸內存預留空間不夠，就會引發concurrent mode failure

33.348: [Full GC 33.348: [CMS33.357: [CMS-concurrent-sweep: 0.035/0.036 secs] [Times: user=0.11 sys=0.03, real=0.03 secs] 
 (concurrent mode failure): 47066K->39901K(49152K), 0.3896802 secs] 60771K->39901K(63936K), [CMS Perm : 22529K->22529K(32768K)], 0.3897989 secs] [Times: user=0.39 sys=0.00, real=0.39 secs]

一旦 concurrent mode failure產生，將使用串行收集器做爲後備。

CMS也提供了整理碎片的參數：

-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC後，進行一次整理

• 整理過程是獨佔的，會引發停頓時間變長

-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 

• 設置進行幾回Full GC後，進行一次碎片整理

-XX:ParallelCMSThreads

• 設定CMS的線程數量（通常狀況約等於可用CPU數量）

CMS的提出是想改善GC的停頓時間，在GC過程當中的確作到了減小GC時間，可是一樣致使產生大量內存碎片，又須要消耗大量時間去整理碎片，從本質上並無改善時間。

4. G1收集器

G1是目前技術發展的最前沿成果之一，HotSpot開發團隊賦予它的使命是將來能夠替換掉JDK1.5中發佈的CMS收集器。

與CMS收集器相比G1收集器有如下特色：

1. 空間整合，G1收集器採用標記整理算法，不會產生內存空間碎片。分配大對象時不會由於沒法找到連續空間而提早觸發下一次GC。

2. 可預測停頓，這是G1的另外一大優點，下降停頓時間是G1和CMS的共同關注點，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N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。

上面提到的垃圾收集器，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堆的內存佈局與其餘收集器有很大差異，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閡了，它們都是一部分（能夠不連續）Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew相似，當新生代佔用達到必定比例的時候，開始出發收集。

和CMS相似，G1收集器收集老年代對象會有短暫停頓。

步驟：

1. 標記階段，首先初始標記(Initial-Mark),這個階段是停頓的(Stop the World Event)，而且會觸發一次普通Mintor GC。對應GC log:GC pause (young) (inital-mark)
2. Root Region Scanning，程序運行過程當中會回收survivor區(存活到老年代)，這一過程必須在young GC以前完成。
3. Concurrent Marking，在整個堆中進行併發標記(和應用程序併發執行)，此過程可能被young GC中斷。在併發標記階段，若發現區域對象中的全部對象都是垃圾，那個這個區域會被當即回收(圖中打X)。同時，併發標記過程當中，會計算每一個區域的對象活性(區域中存活對象的比例)。
4. Remark, 再標記，會有短暫停頓(STW)。再標記階段是用來收集 併發標記階段 產生新的垃圾(併發階段和應用程序一同運行)；G1中採用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。
5. Copy/Clean up，多線程清除失活對象，會有STW。G1將回收區域的存活對象拷貝到新區域，清除Remember Sets，併發清空回收區域並把它返回到空閒區域鏈表中。
6. 複製/清除過程後。回收區域的活性對象已經被集中回收到深藍色和深綠色區域。

5. 安全點

GC的停頓主要來源於可達性分析上，程序執行時並不是在全部地方都能停頓下來開始GC，只有在到達安全點時才能暫停。

安全點的選定基本上是以程序「是否具備讓程序長時間執行的特徵」爲標準進行選定的——由於每條指令執行的時間都很是短暫，程序不太可能由於指令流長度太長這個緣由而過長時間運行，「長時間執行」的最明顯特徵就是指令序列複用，例如方法調用、循環跳轉、異常跳轉等，因此具備這些功能的指令纔會產生安全點。

接下來的問題就在於，如何讓程序在須要GC時都跑到安全點上停頓下來，大多數JVM的實現都是採用主動式中斷的思想。

主動式中斷的思想是當GC須要中斷線程的時候，不直接對線程操做，僅僅簡單地設置一個標誌，各個線程執行時主動去輪詢這個標誌，發現中斷標誌爲真時就本身中斷掛起，輪詢標誌的地方和安全點是重合的，另外再加上建立對象須要分配內存的地方。

其餘：

只要記住流行的組合就這幾種狀況
Serial
ParNew + CMS
ParallelYoung + ParallelOld
G1GC

Reference：

1. 《深刻理解Java虛擬機》

2. http://www.importnew.com/15311.html

3. http://www.zhihu.com/question/30538696