垃圾回收器

来源Bilibili尚硅谷宋红康老师JVM教程：硅谷2020最新版宋红康JVM教程

GC分类与性能指标

垃圾收集器没有在规范中进行过多的规定，可以由不同的厂商、不同版本的JVM来实现。

由于JDK的版本处于高速迭代过程中，因此Java发展至今已经衍生了众多的GC版本。

从不同角度分析垃圾收集器，可以将GC分为不同的类型。

Java不同版本新特性

  • 语法层面：Lambda表达式、switch、自动拆箱装箱、enum
  • API层面：Stream API、新的日期时间、Optional、String、集合框架
  • 底层优化：JVM优化、GC的变化、元空间、静态域、字符串常量池位置变化

垃圾收集器分类

按线程数分

按线程数分（垃圾回收线程数），可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。

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串行回收指的是在同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束。

  • 在诸如 单 CPU 处理器或者较小的应用内存 等硬件平台不是特别优越的场合，串行回收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。所以，串行回收默认被应用在客户端的 Client 模式下的 JVM 中
  • 在并发能力比较强的 CPU 上，并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器。

和串行回收相反，并行收集可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用了“stop-the-world”机制。

按工作模式分

按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。

  • 并发式垃圾回收器 与 应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间。
  • 独占式垃圾回收器（Stop the world）一旦运行，就停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。

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按碎片处理方式分

按碎片处理方式分，可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。

  • 压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片。
  • 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。

按工作的内存区间分

又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

评估GC的性能指标

  • 吞吐量：运行用户代码的时间占总运行时间的比例（总运行时间 = 程序的运行时间 + 内存回收的时间）
  • 垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
  • 暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间。
  • 收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
  • 内存占用：Java堆区所占的内存大小。
  • 快速：一个对象从诞生到被回收所经历的时间。

吞吐量、暂停时间、内存占用 这三者共同构成一个“不可能三角”。三者总体的表现会随着技术进步而越来越好。一款优秀的收集器通常最多同时满足其中的两项。
这三项里，暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展，内存占用多些越来越能容忍，硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响，即提高了吞吐量。而内存的扩大，对延迟反而带来负面效果。
简单来说，主要抓住两点：

  • 吞吐量
  • 暂停时间

性能指标：吞吐量

吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间 /（运行用户代码时间+垃圾收集时间）

比如：虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。

这种情况下，应用程序能容忍较高的暂停时间，因此，高吞吐量的应用程序有更长的时间基准，快速响应是不必考虑的

吞吐量优先，意味着在单位时间内，STW的时间最短：0.2+0.2=0.4

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性能指标：暂停时间

“暂停时间”是指一个时间段内应用程序线程暂停，让GC线程执行的状态

例如，GC期间100毫秒的暂停时间意味着在这100毫秒期间内没有应用程序线程是活动的。暂停时间优先，意味着尽可能让单次STW的时间最短：0.1+0.1 + 0.1+ 0.1+ 0.1=0.5

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吞吐量vs暂停时间

高吞吐量较好因为这会让应用程序的最终用户感觉只有应用程序线程在做“生产性”工作。直觉上，吞吐量越高程序运行越快。

低暂停时间（低延迟）较好因为从最终用户的角度来看不管是 GC 还是其他原因导致一个应用被挂起始终是不好的。这取决于应用程序的类型，有时候甚至短暂的 200毫秒暂停都可能打断终端用户体验。因此，具有低的较大暂停时间是非常重要的，特别是对于一个交互式应用程序。

不幸的是”高吞吐量”和”低暂停时间”是一对相互竞争的目标（矛盾）。

因为如果选择以吞吐量优先，那么必然需要降低内存回收的执行频率，但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收。

相反的，如果选择以低延迟优先为原则，那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间，也只能频繁地执行内存回收，但这又引起了年轻代内存的缩减和导致程序吞吐量的下降。

在设计（或使用）GC算法时，我们必须确定我们的目标：一个GC算法只可能针对两个目标之一（即只专注于较大吞吐量或最小暂停时间），或尝试找到一个二者的折衷。

现在标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间

不同的垃圾回收器概述

垃圾收集机制是Java的招牌能力，极大地提高了开发效率。这当然也是面试的热点。

那么，Java常见的垃圾收集器有哪些？

GC垃圾收集器是和 JVM 一脉相承的，它是和 JVM 进行搭配使用，在不同的使用场景对应的收集器也是有区别

垃圾回收器发展史

有了虚拟机，就一定需要收集垃圾的机制，这就是Garbage Collection，对应的产品我们称为Garbage Collector。

  • 1999年随JDK1.3.1一起来的是串行方式的serialGc，它是第一款GC。ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多线程版本
  • 2002年2月26日，Parallel GC和Concurrent Mark Sweep GC跟随JDK1.4.2一起发布·
  • Parallel GC在JDK6之后成为HotSpot默认GC。
  • 2012年，在JDK1.7u4版本中，G1可用。
  • 2017年，JDK9中G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。
  • 2018年3月，JDK10中G1垃圾回收器的并行完整垃圾回收，实现并行性来改善最坏情况下的延迟。
  • 2018年9月，JDK11发布。引入Epsilon 垃圾回收器，又被称为 “No-Op(无操作)“ 回收器。同时，引入ZGC：可伸缩的低延迟垃圾回收器（Experimental）
  • 2019年3月，JDK12发布。增强G1，自动返回未用堆内存给操作系统。同时，引入Shenandoah GC：低停顿时间的GC（Experimental）。·2019年9月，JDK13发布。增强zGC，自动返回未用堆内存给操作系统。
  • 2020年3月，JDK14发布。删除cMs垃圾回收器。扩展zGC在macos和Windows上的应用

7种经典的垃圾收集器

  • 串行回收器：Serial、Serial old
  • 并行回收器：ParNew、Parallel Scavenge、Parallel old
  • 并发回收器：CMS、G1

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7款经典收集器与垃圾分代之间的关系

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

老年代收集器：Serial old、Parallel old、CMS；

整堆收集器：G1；

垃圾收集器的组合关系

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  • 两个收集器间有连线，表明它们可以搭配使用：Serial/Serial old、Serial/CMS、ParNew/Serial old、ParNew/CMS、Parallel Scavenge/Serial old、Parallel Scavenge/Parallel old、G1；
  • 其中Serial old作为CMS出现”Concurrent Mode Failure”失败的后备预案。
  • （红色虚线）由于维护和兼容性测试的成本，在JDK 8时将Serial+CMS、ParNew+Serial old这两个组合声明为废弃（JEP173），并在JDK9中完全取消了这些组合的支持（JEP214），即：移除。
  • （绿色虚线）JDK14中：弃用Parallel Scavenge和Serialold GC组合（JEP366）
  • （青色虚线）JDK14中：删除CMS垃圾回收器（JEP363）

为什么要有很多收集器，一个不够吗？因为Java的使用场景很多，移动端，服务器等。所以就需要针对不同的场景，提供不同的垃圾收集器，提高垃圾收集的性能。

虽然我们会对各个收集器进行比较，但并非为了挑选一个最好的收集器出来。没有一种放之四海皆准、任何场景下都适用的完美收集器存在，更加没有万能的收集器。所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器。

如何查看默认垃圾收集器

-XX:+PrintcommandLineFlags：查看命令行相关参数（包含使用的垃圾收集器）

使用命令行指令：jinfo -flag 相关垃圾回收器参数 进程ID

垃圾收集器

1、Serial 收集器

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Serial 翻译为串行，也就是说它以串行的方式执行。

它是单线程的收集器，只会使用一个线程进行垃圾收集工作。

它的优点是简单高效，对于单个 CPU 环境来说，由于没有线程交互的开销，因此拥有最高的单线程收集效率。

它是 Client 模式下的默认新生代收集器，因为在用户的桌面应用场景下，分配给虚拟机管理的内存一般来说不会很大。Serial 收集器收集几十兆甚至一两百兆的新生代停顿时间可以控制在一百多毫秒以内，只要不是太频繁，这点停顿是可以接受的。

2、ParNew 收集器

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  • 它是 Serial 收集器的多线程版本。
  • 是 Server 模式下的虚拟机首选新生代收集器，除了性能原因外，主要是因为除了 Serial 收集器，只有它能与 CMS 收集器配合工作。
  • 默认开启的线程数量与 CPU 数量相同，可以使用 -XX:ParallelGCThreads 参数来设置线程数。
  • 在程序中，开发人员可以通过选项 -XX：+UseParNewGC 手动指定使用ParNew收集器执行内存回收任务

3、Parallel Scavenge 收集器

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  • 与 ParNew 一样是多线程收集器。在Java8中，默认是此垃圾收集器。
  • 其它收集器关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而它的目标是达到一个可控制的吞吐量，它被称为 吞吐量优先 收集器。这里的吞吐量指 CPU 用于运行用户代码的时间占总时间的比值。
  • 停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。而高吞吐量则可以高效率地利用 CPU 时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。
  • 缩短停顿时间是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取的: 新生代空间变小，垃圾回收变得频繁，导致吞吐量下降。
  • 可以通过一个开关参数打开 GC 自适应的调节策略(GC Ergonomics)，就不需要手动指定新生代的大小(-Xmn)、Eden 和 Survivor 区的比例、晋升老年代对象年龄等细节参数了。虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量。
  • 参数配置：
    • -XX：+UseParallelGC 手动指定年轻代使用Paralle1并行收集器执行内存回收任务。
    • -XX：+UseParallelOldGC 手动指定老年代都是使用并行回收收集器。
    • -XX:ParallelGcThreads 设置年轻代并行收集器的线程数。一般地，最好与CPU数量相等，以避免过多的线程数影响垃圾收集性能。在默认情况下，当CPU数量小于8个，ParallelGcThreads 的值等于CPU数量。当CPU数量大于8个。ParallelGCThreads 的值等于 3+[5*CPU Count]/8]
    • -XX:MaxGCPauseMillis 设置垃圾收集器最大停顿时间（即STW的时间），单位是毫秒。为了尽可能地把停顿时间控制在MaxGCPauseMills 以内，收集器在工作时会调整Java堆大小或者其他一些参数。
    • -XX:GCTimeRatio 垃圾收集时间占总时间的比例（=1/（N+1））。用于衡量吞吐量的大小。
    • -XX:+UseAdaptivesizepolicy 设置Parallel scavenge收集器具有自适应调节策略，在这种模式下，年轻代的大小、Eden和Survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整，已达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。

4、Serial Old 收集器

是 Serial 收集器的老年代版本，也是给 Client 模式下的虚拟机使用。如果用在 Server 模式下，它有两大用途:

  • 在 JDK 1.5 以及之前版本(Parallel Old 诞生以前)中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
  • 作为 CMS 收集器的后备预案，在并发收集发生 Concurrent Mode Failure 时使用。

5、Parallel Old 收集器

是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。

在注重吞吐量以及 CPU 资源敏感的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge 加 Parallel Old 收集器。

6、CMS 收集器

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CMS(Concurrent Mark Sweep)，Mark Sweep 指的是标记 - 清除算法。

分为以下四个流程:

  • 初始标记: 仅仅只是标记一下 GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快，需要停顿。
  • 并发标记: 进行 GC Roots Tracing 的过程，它在整个回收过程中耗时最长，不需要停顿。
  • 重新标记: 为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，需要停顿。
  • 并发清除: 不需要停顿。

在整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，不需要进行停顿。

具有以下缺点:

  • 吞吐量低 : 低停顿时间是以牺牲吞吐量为代价的，导致 CPU 利用率不够高。
  • 无法处理浮动垃圾，可能出现 Concurrent Mode Failure 。浮动垃圾是指并发清除阶段由于用户线程继续运行而产生的垃圾，这部分垃圾只能到下一次 GC 时才能进行回收。由于浮动垃圾的存在，因此需要预留出一部分内存，意味着 CMS 收集不能像其它收集器那样等待老年代快满的时候再回收。如果预留的内存不够存放浮动垃圾，就会出现 Concurrent Mode Failure，这时虚拟机将临时启用 Serial Old 来替代 CMS。
  • 标记 - 清除算法导致的空间碎片 ，往往出现老年代空间剩余，但无法找到足够大连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次 Full GC。
  • 参数设置：
    • -XX:+UseConcMarkSweepGC 手动指定使用CMS收集器执行内存回收任务。开启该参数后会自动将-XX：+UseParNewGC打开。即：ParNew（Young区用）+CMS（0ld区用）+Serial old的组合。
    • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 设置堆内存使用率的阈值，一旦达到该阈值，便开始进行回收。
    • -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0 在上一次CMS并发GC执行过后，到底还要再执行多少次 full GC 才会做压缩。默认是0，也就是在默认配置下每次 CMS GC 顶不住了而要转入 full GC 的时候都会做压缩。
    • -XX:ParallelGCThreads 如果你没有设置该参数，该参数 jvm 会默认设置成 online 的 cpu 的核数。设置收集器的线程数, 默认与 CPU的核数是相同的, 建议设置小于核数, 不建议设大于核数. 当核数大于8个 ParallelGCThreads=3 + (5 * cpu core / 8)

7、G1 收集器

G1(Garbage-First)，它是一款面向服务端应用的垃圾收集器，在多 CPU 和大内存的场景下有很好的性能。HotSpot 开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉 CMS 收集器。

堆被分为新生代和老年代，其它收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而 G1 可以直接对新生代和老年代一起回收。

G1 把堆划分成多个大小相等的独立区域(Region)，新生代和老年代不再物理隔离。

通过引入 Region 的概念，从而将原来的一整块内存空间划分成多个的小空间，使得每个小空间可以单独进行垃圾回收。这种划分方法带来了很大的灵活性，使得可预测的停顿时间模型成为可能。通过记录每个 Region 垃圾回收时间以及回收所获得的空间(这两个值是通过过去回收的经验获得)，并维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的 Region。

每个 Region 都有一个 Remembered Set，用来记录该 Region 对象的引用对象所在的 Region。通过使用 Remembered Set，在做可达性分析的时候就可以避免全堆扫描。

如果不计算维护 Remembered Set 的操作，G1 收集器的运作大致可划分为以下几个步骤:

  • 初始标记
  • 并发标记
  • 最终标记: 为了修正在 并发标记 期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程的 Remembered Set Logs 里面，最终标记阶段需要把 Remembered Set Logs 的数据合并到 Remembered Set 中。这阶段需要停顿线程，但是可并行执行。
  • 筛选回收: 首先对各个 Region 中的 回收价值 和 成本 进行排序，根据用户所期望的 GC 停顿时间来制定回收计划。此阶段其实也可以做到与用户程序一起并发执行，但是因为只回收一部分 Region，时间是用户可控制的，而且停顿用户线程将大幅度提高收集效率。

特点:

  • 空间整合 : 整体来看是基于“标记 - 整理”算法实现的收集器，从局部(两个 Region 之间)上来看是基于“复制”算法实现的，这意味着运行期间不会产生内存空间碎片。
  • 可预测的停顿 : 能让使用者明确指定在一个长度为 M 毫秒的时间片段内，消耗在 GC 上的时间不得超过 N 毫秒。

G1参数设置

  • -XX:+UseG1GC：手动指定使用G1垃圾收集器执行内存回收任务
  • -XX:G1HeapRegionSize设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB之间，目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。
  • -XX:MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大Gc停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到）。默认值是200ms
  • -XX:+ParallelGcThread 设置STW工作线程数的值。最多设置为8
  • -XX:ConcGCThreads 设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGcThreads）的1/4左右。
  • -XX:InitiatingHeapoccupancyPercent 设置触发并发Gc周期的Java堆占用率阈值。超过此值，就触发GC。默认值是45。

内存分配与回收策略

Minor GC、Major GC、Full GC

JVM 在进行 GC 时，并非每次都对堆内存（新生代、老年代；方法区）区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。

针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 按照回收区域又分为两大类：部分收集（Partial GC），整堆收集（Full GC）

  • 部分收集：不是完整收集整个 Java 堆的垃圾收集。其中又分为：
    • 新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代的垃圾收集
    • 老年代收集（Major GC/Old GC）：只是老年代的垃圾收集
      • 目前，只有 CMS GC 会有单独收集老年代的行为
      • 很多时候 Major GC 会和 Full GC 混合使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收
    • 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集
      • 目前只有 G1 GC 会有这种行为
  • 整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和方法区的垃圾

内存分配策略

1. 对象优先在 Eden 分配

大多数情况下，对象在新生代 Eden 区分配，当 Eden 区空间不够时，发起 Minor GC。

2. 大对象直接进入老年代

大对象是指需要连续内存空间的对象，最典型的大对象是那种很长的字符串以及数组。

经常出现大对象会提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间分配给大对象。

-XX:PretenureSizeThreshold，大于此值的对象直接在老年代分配，避免在 Eden 区和 Survivor 区之间的大量内存复制。

3. 长期存活的对象进入老年代

为对象定义年龄计数器，对象在 Eden 出生并经过 Minor GC 依然存活，将移动到 Survivor 中，年龄就增加 1 岁，增加到一定年龄则移动到老年代中。

-XX:MaxTenuringThreshold 用来定义年龄的阈值。

4. 动态对象年龄判定

虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到 MaxTenuringThreshold 才能晋升老年代，如果在 Survivor 中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，则年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无需等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。

5. 空间分配担保

在发生 Minor GC 之前，虚拟机先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果条件成立的话，那么 Minor GC 可以确认是安全的。

如果不成立的话虚拟机会查看 HandlePromotionFailure 设置值是否允许担保失败，如果允许那么就会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次 Minor GC；如果小于，或者 HandlePromotionFailure 设置不允许冒险，那么就要进行一次 Full GC。

Full GC 的触发条件

对于 Minor GC，其触发条件非常简单，当 Eden 空间满时，就将触发一次 Minor GC。而 Full GC 则相对复杂，有以下条件:

1. 调用 System.gc()

只是建议虚拟机执行 Full GC，但是虚拟机不一定真正去执行。不建议使用这种方式，而是让虚拟机管理内存。

2. 老年代空间不足

老年代空间不足的常见场景为前文所讲的大对象直接进入老年代、长期存活的对象进入老年代等。

为了避免以上原因引起的 Full GC，应当尽量不要创建过大的对象以及数组。除此之外，可以通过 -Xmn 虚拟机参数调大新生代的大小，让对象尽量在新生代被回收掉，不进入老年代。还可以通过 -XX:MaxTenuringThreshold 调大对象进入老年代的年龄，让对象在新生代多存活一段时间。

3. 空间分配担保失败

使用复制算法的 Minor GC 需要老年代的内存空间作担保，如果担保失败会执行一次 Full GC。具体内容请参考上面的第五小节。

4. JDK 1.7 及以前的永久代空间不足

在 JDK 1.7 及以前，HotSpot 虚拟机中的方法区是用永久代实现的，永久代中存放的为一些 Class 的信息、常量、静态变量等数据。

当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，永久代可能会被占满，在未配置为采用 CMS GC 的情况下也会执行 Full GC。如果经过 Full GC 仍然回收不了，那么虚拟机会抛出 java.lang.OutOfMemoryError。

为避免以上原因引起的 Full GC，可采用的方法为增大永久代空间或转为使用 CMS GC。

5. Concurrent Mode Failure

执行 CMS GC 的过程中同时有对象要放入老年代，而此时老年代空间不足(可能是 GC 过程中浮动垃圾过多导致暂时性的空间不足)，便会报 Concurrent Mode Failure 错误，并触发 Full GC。