蚂蚁金服架构师所了解的Java 9中的GC调优

在经过了几次跳票之后，Java 9终于在原计划日期的整整一年之后发布了正式版。Java 9引入了很多新的特性，除了闪瞎眼的Module System和REPL，最重要的变化我认为是默认GC（Garbage Collector）修改为新一代更复杂、更全面、性能更好的G1（Garbage-First）。JDK的维护者在GC选择上一直是比较保守的，G1从JDK 1.6时代就开始进入开发者的视野，直到今天正式成为Hotspot的默认GC，也是走了很长的路。

本文将主要讲解GC调优需要知道的一些基础知识，会涉及到一些GC的实现细节，但不会对实现细节做很全面的阐述，如果你看完本文之后，能对GC有一个大致的认识，那本文的写作目的也就达到了。由于在这次写作过程中，恰逢Java 9正式版发布，之前都是依赖Java 8的文档写的，如果有不正确的地方还望指正。本文将包含以下内容：

1. GC的作用范围
2. GC负责的事情
3. JVM中的4种GC
4. G1的一些细节
5. 使用Java 9正式版对G1进行测试
6. 一些简单的GC调优方法

一、GC的作用范围

要谈GC的作用范围，首先要谈JVM的内存结构，JVM内存中主要有以下几个区域：堆、方法区（JVM规范中的叫法，Hotspot大致对应的是Metaspace）、栈、本地方法栈、PC等，其中GC主要作用在堆上，如下图所示：

JVM内存结构

其中堆和方法区是所有线程共享的，其他则为线程独有，HotSpot JVM使用基于分代的垃圾回收机制，所以在堆上又分为几个不同的区域（在G1中，各年龄代不再是连续的一整片内存，为了描述方便，这里还使用传统的表示方法），具体如下图所示：

JVM堆中的分区

二、GC负责的事情

GC的发展是随着JDK（Standard Edition）的发展一步步发展起来的，垃圾回收（Garbage Collection）可以说是JDK里最影响性能的行为了。GC做的事情，说白了就是「通过对内存进行管理，以保障在内存足够的时候，程序可以正常的使用内存」。具体而言，GC通常做的事情有以下3个：

1. 分配对象和对象的年龄管理

通常而言，GC需要管理「在上图中的年轻代（Young）分配对象，然后通过一系列的年龄管理，将之销毁或晋升到老年代（Tenured）中去」的过程。这个过程会伴随着若干次的Minor GC。

对于普通的对象而言，分配内存是一件很简单而且快速的事情。在对象还未创建时，其所占内存大小通过类的元数据就可以确定，而Eden区域的内存可以认为是连续的，所以给对象分配内存要做的只是在上图中Eden区域中把指针移动相应的长度，并将地址返回给对象的引用即可。当然实际的过程比这个复杂，在下文中会提到。

不过，有时候一个对象会直接在老年代中创建，这个点也会在后边提到。

2. 在老年代中进行标记

老年代的GC算法可以大致是认为是一个标记-整理（Mark-Compact，其实是混合了标记-清理，标记-复制和标记-整理）算法，所以老年代的垃圾清理首先要做的就是在老年代对存活的对象（可达性分析，关于不同的可达性可以参考JDK解构 - Java中的引用和动态代理的实现）进行标记，对于寻求大吞吐量的服务器应用来说，这个过程往往需要是并发的。

标记的过程发生在Major GC被触发之后，不同的GC对于MajorGC的触发条件和标记过程的实现也不尽相同。

3. 在老年代中进行压缩

在上一条的基础上，将还存活的对象进行压缩（CMS和G1的行为与此有些不同之处），压缩的过程就是将存活的对象从老年代的起点进行挨个复制，使得老年代维持在一片连续的内存中，消除内存碎片，对于内存分配速度的提升会有很大的帮助。

三、GC的种类

Hotspot会根据宿主机的硬件特性和操作系统类型，将之分为客户端型（client-class）或者服务器型（server-class），如果是服务器型主机，Java 9之前默认使用Parallel GC，Java 9中默认使用G1。对于服务器型主机的选择标准是「CPU核心数大于1，内存大于2GB」，所以现在大部分的主机都可以认为是服务器型主机。

这里讨论的所有GC都是基于分代垃圾回收算法的。

1. Serail

Serail是最早的一款GC，它只使用一个线程来做所有的Minor和Major垃圾回收。它在运行时，其他所有的事情都会暂停。其工作方式十分简单，在需要GC的安全点，它会停止所有其他线程（Stop-The-World），对年轻代进行标记-复制，或对老年代进行标记-整理。

可以使用JVM参数-XX:+UseSerialGC来开启此GC，当使用此参数时，年轻代和老年代将都是用Serial来做垃圾回收。在年轻代使用标记-复制算法，将Eden中存活的对象和非空的Suvivor区（From）中存活的对象复制到空的Suvivor区（To）中去，同时将一部分Suvivor中的对象晋升到老年代去。在老年代则使用标记-整理算法。

看起来Serial古老而简陋，但在宿主机资源紧张或者JVM堆很小的情况下（比如堆内存大小只有不到100M），Serial反而可以达到更好的效果，因为其他并发或并行GC都是基于多线程的，会带来额外的线程切换和线程间通信的开销。

2. Parallel/Throughput

Parallel在Java 9之前是服务器型宿主机中JVM的默认GC，其垃圾回收的算法和Serial基本相同，不同之处在与它使用多线程来执行。由于使用了多线程，可以享受多核CPU带来的优势，可以通过参数-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC显示指定。

3. CMS

CMS和G1都属于「Mostly Concurrent Mark and Sweep Garbage Collector」，可以使用-XX:+UseConcMarkSweepGC参数打开。CMS的年轻代垃圾回收使用的是Parallel New来做，其行为和Parallel中的差不多相同，他们的实现上有一些不同的地方，比如Parallel可以自动调节年轻代中各区的大小，用的是广度优先搜索等。

老年代使用CMS，CMS的回收和Parallel也基本类似，不同点在与，CMS使用的更复杂的可达性分析步骤，并且不是每次都做压缩的动作，这样达到的效果就是，Stop-The-World的时长会降低，JVM运行中断的时间减少，适合在对延迟敏感的场景下使用。

CMS在Java 9中已经被废弃，但了解CMS的行为对理解G1会有一些帮助，所以这里还是会简单的叙述一下。CMS的步骤大致如下：

1. 第一次标记
   从GC Roots开始，找到它们在老年代中第一个可达的对象，这些对象或者是直接被GC Roots引用，或者通过年轻代中的对象被GC Roots引用。这一步会Stop-The-World。

2. 并发标记
   在第一次标记的基础上，进一步进行可达性分析，从而标记存活的对象。这一步叫「并发」标记，是因为做标记的线程是和应用的工作线程并发执行的，也就是说，这一步不会Stop-The-World。

3. 第二次标记
   在并发标记的过程中，由于程序仍在执行，会导致在并发标记完成后，有一些对象的可达性会发生变化，所以需要再次对他们进行标记。这一步会Stop-The-World。

4. 清理
   回收不使用的对象，留作以后使用。

CMS的设计比较复杂，所以也带来了一些问题，比如浮动垃圾（Floating Garbage，指的是在第一步标记可达，但在第二步执行的同时已经不可达的对象），由于不做老年代压缩，导致老年代会出现较多的内存碎片。

4. G1

由于「引入了并发标记」和「不做老年代压缩」，CMS可以带来更好的响应时延表现，但同时也带来了一些问题。G1本身就是作为CMS的替代品出现的，在它的使用场景里，堆不再是连续的被分为上文所说的各种代，整个堆会被分为一个个区域（Region），每个区域可以是任何代。如下图所示：

使用G1的JVM某时刻的堆内存

其中有红色方框的为年轻代（标S的为Survivor区域，其他为Eden），其他蓝色底的区域为老年代（标H的为大对象区域，用以存储大对象）。

四、G1的一些细节

G1与以上3种GC相同，也是基于分代的垃圾回收器。它的垃圾回收步骤可以分为年轻代回收（Young-only phase，类似于Minor GC）和混合垃圾回收阶段（Space-reclamation phase）。下图是Oracle文档中对于此两个阶段的示意图：

jsgct_dt_001_grbgcltncyl.png

G1设计目标和适用对象

G1的设计目标是让大型的JVM可以动态的控制GC的行为以满足用户配置的性能目标。G1会在平衡吞吐和响应时延的基础上，尽可能的满足用户的需求。它适用的JVM往往有以下特征：

1. 堆的大小可能达到数十G（或者更大），同时存活的对象数量也很多。
2. 对象的分配和年龄增长的行为随着程序的运行不断的变化
3. 堆上很容易形成碎片
4. 要求较少的Stop-The-World暂停时间，通常小于数百毫秒

对G1的行为进行测试

如果想要看垃圾回收的具体执行过程，可以使用虚拟机参数-Xlog:gc*=debug或者-Xlog:gc*=info，前一个会打印更多的细节。注意传统的VM参数-XX:+PrintGCDetails在Java9中已经废弃，会有Warning信息。可以使用以下代码中的程序去测试：

static int TOTAL_SIZE = 1024 * 5;
static Object[] floatingObjs= new Object[TOTAL_SIZE];
static LinkedList