【JVM進階之路】七：垃圾收集器盤點

在前面，咱們已經瞭解了JVM的分代收集，知道JVM垃圾收集在新生代主要採用標記-複製算法，在老年代主要採用標記-清除和標記-整理算法。接下來，咱們看一看JDK默認虛擬機HotSpot的一些垃圾收集器的實現。

一、常見垃圾回收器

首先來看一下JDK 11以前所有可用的垃圾收集器。

圖中列出了七種垃圾收集器，連線表示能夠配合使用，所在區域表示它是屬於新生代收集器或是老年代收集器。

這裏還標出了垃圾收集器採用的收集算法，G1收集器比較特殊，總體採用標記-整理算法，局部採用標記-複製算法，後面再細講。

1.一、Serial收集器

Serial收集器是最基礎、歷史最悠久的收集器。

如同它的名字（串行），它是一個單線程工做的收集器，使用一個處理器或一條收集線程去完成垃圾收集工做。而且進行垃圾收集時，必須暫停其餘全部工做線程，直到垃圾收集結束——這就是所謂的「Stop The World」。

Serial/Serial Old收集器的運行過程如圖：

1.二、ParNew收集器

ParNew收集器實質上是Serial收集器的多線程並行版本，使用多條線程進行垃圾收集。

ParNew收集器的工做過程如圖所示：

這裏值得一提的是Par是Parallel（並行）的縮寫，但須要注意的是，這個並行（Parallel）僅僅是描述同一時間多條GC線程協同工做，而不是GC線程和用戶線程同時運行。ParNew垃圾收集也是須要Stop The World的。

1.三、Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一款新生代收集器，基於標記-複製算法實現，也可以並行收集。和ParNew有些相似，但Parallel Scavenge主要關注的是垃圾收集的吞吐量。

所謂吞吐量指的是運行用戶代碼的時間與處理器總消耗時間的比值。這個比例越高，證實垃圾收集佔整個程序運行的比例越小。

Parallel Scavenge收集器提供了兩個參數用於精確控制吞吐量:

• -XX：MaxGCPauseMillis，最大垃圾回收停頓時間。這個參數的原理是空間換時間，收集器會控制新生代的區域大小，從而儘量保證回收少於這個最大停頓時間。簡單的說就是回收的區域越小，那麼耗費的時間也越小。
  因此這個參數並非設置得越小越好。設過小的話，新生代空間會過小，從而更頻繁的觸發GC。

• -XX：GCTimeRatio，垃圾收集時間與總時間佔比。這個是吞吐量的倒數，原理和MaxGCPauseMillis相同。

因爲與吞吐量關係密切，Parallel Scavenge收集器也常常被稱做「吞吐量優先收集器」。

1.四、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。

Serial Old收集器的工做過程如圖：

1.五、Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，支持多線程併發收集，基於標記-整理算法實現。

1.六、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，一樣是老年代的收集齊，採用標記-清除算法。

CMS收集齊的垃圾收集分爲四步：

• 初始標記（CMS initial mark）：單線程運行，須要Stop The World，標記GC Roots能直達的對象。
• 併發標記（（CMS concurrent mark）：無停頓，和用戶線程同時運行，從GC Roots直達對象開始遍歷整個對象圖。
• 從新標記（CMS remark）：多線程運行，須要Stop The World，標記併發標記階段產生對象。
• 併發清除（CMS concurrent sweep）：無停頓，和用戶線程同時運行，清理掉標記階段標記的死亡的對象。

涉及到了屢次標記的過程，這裏插入一點三色抽象的知識。三色抽象用來描述對象在垃圾收集過程當中的狀態。

一般白色表明對象未被掃描到，灰色表示對象被掃描到但未被處理，黑色表示對象及其後代已被處理。在CMS的標記和清除過程當中就用到了這種抽象，詳細的能夠查看參考【5】。

Concurrent Mark Sweep收集器運行示意圖以下：

優勢：CMS最主要的優勢在名字上已經體現出來——併發收集、低停頓。

缺點：CMS一樣有三個明顯的缺點。

• Mark Sweep算法會致使內存碎片比較多

• CMS的併發能力比較依賴於CPU資源，併發回收時垃圾收集線程可能會搶佔用戶線程的資源，致使用戶程序性能降低。

• 併發清除階段，用戶線程依然在運行，會產生所謂的理「浮動垃圾」（Floating Garbage），本次垃圾收集沒法處理浮動垃圾，必須到下一次垃圾收集才能處理。若是浮動垃圾太多，會觸發新的垃圾回收，致使性能下降。

1.七、Garbage First收集器

Garbage First（簡稱G1）收集器是垃圾收集器的一個顛覆性的產物，它開創了局部收集的設計思路和基於Region的內存佈局形式。

雖然G1也還是遵循分代收集理論設計的，但其堆內存的佈局與其餘收集器有很是明顯的差別。之前的收集器分代是劃分新生代、老年代、持久代等。

G1把連續的Java堆劃分爲多個大小相等的獨立區域（Region），每個Region均可以根據須要，扮演新生代的Eden空間、Survivor空間，或者老年代空間。收集器可以對扮演不一樣角色的Region採用不一樣的策略去處理。

這樣就避免了收集整個堆，而是按照若干個Region集進行收集，同時維護一個優先級列表，跟蹤各個Region回收的「價值，優先收集價值高的Region。

G1收集器的運行過程大體可劃分爲如下四個步驟：

• 初始標記（initial mark），標記了從GC Root開始直接關聯可達的對象。STW（Stop the World）執行。

• 併發標記（concurrent marking），和用戶線程併發執行，從GC Root開始對堆中對象進行可達性分析，遞歸掃描整個堆裏的對象圖，找出要回收的對象、

• 最終標記（Remark），STW，標記再併發標記過程當中產生的垃圾。

• 篩選回收（Live Data Counting And Evacuation），制定回收計劃，選擇多個Region 構成回收集，把回收集中Region的存活對象複製到空的Region中，再清理掉整個舊 Region的所有空間。須要STW。

相比CMS，G1的優勢有不少，能夠指定最大停頓時間、分Region的內存佈局、按收益動態肯定回收集。

只從內存的角度來看，與CMS的「標記-清除」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，但從局部（兩個Region 之間）上看又是基於「標記-複製」算法實現，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，垃圾收集完成以後能提供規整的可用內存。

二、前沿垃圾回收器

2.一、ZGC收集器

在JDK 11當中，加入了實驗性質的ZGC。它的回收耗時平均不到2毫秒。它是一款低停頓高併發的收集器。

與CMS中的ParNew和G1相似，ZGC也採用標記-複製算法，不過ZGC對該算法作了重大改進：ZGC在標記、轉移和重定位階段幾乎都是併發的，這是ZGC實現停頓時間小於10ms目標的最關鍵緣由。

ZGC雖然在JDK 11還處於實驗階段，但因爲算法與思想是一個很是大的提高，將來前景相信仍是很廣闊的。

三、垃圾收集器選擇

3.一、收集器選擇權衡

垃圾收集器的選擇須要權衡的點仍是比較多的——例如運行應用的基礎設施如何？使用JDK的發行商是什麼？等等……

這裏簡單地列一下上面提到的一些收集器的適用場景：

• Serial ：若是應用程序有一個很小的內存空間（大約100 MB）亦或它在沒有停頓時間要求的單線程處理器上運行。
• Parallel：若是優先考慮應用程序的峯值性能，而且沒有時間要求要求，或者能夠接受1秒或更長的停頓時間。
• CMS/G1：若是響應時間比吞吐量優先級高，亦或垃圾收集暫停必須保持在大約1秒之內。
• ZGC：若是響應時間是高優先級的，亦或堆空間比較大。

3.一、設置垃圾收集器

設置垃圾收集器（組合）的參數以下：

新生代	老年代	JVM 參數
Incremental	Incremental	-Xincgc
Serial	Serial	-XX:+UseSerialGC
Parallel Scavenge	Serial	-XX:+UseParallelGC -XX:-UseParallelOldGC
Parallel New	Serial	N/A
Serial	Parallel Old	N/A
Parallel Scavenge	Parallel Old	-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC
Parallel New	Parallel Old	N/A
Serial	CMS	-XX:-UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC
Parallel Scavenge	CMS	N/A
Parallel New	CMS	-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC
G1		-XX:+UseG1GC

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參考：

【1】：周志朋編著《深刻理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》

【2】：《垃圾回收算法手冊 自動內存管理的藝術》

【3】：Garbage Collection in Java – What is GC and How it Works in the JVM

【4】：Java Hotspot G1 GC的一些關鍵技術

【5】：GC Algorithms: Implementations

【6】：新一代垃圾回收器ZGC的探索與實踐