JVM学习笔记8:垃圾收集（垃圾收集算法及垃圾收集器）

一 垃圾收集算法

1. 标记清除法（Mark-Sweep）

        算法分成标记和清除两个阶段，先标记出要回收的对象，然后统一回收这些对象。形如：

优点：
     简单
缺点是：
     效率不高，标记和清除的效率都不高
    标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，从而导致在分配大对象时触发GC
 

2 复制算法（Copying）

       把内存分成两块完全相同的区域，每次使用其中一块，当一块使用完了，就把这块上还存活的对
象拷贝到另外一块，然后把这块清除掉，目前大部分商业虚拟机都采用这种算法来回收新生代。形如

• 优点是：实现简单，运行高效，不用考虑内存碎片问题
• 缺点是：内存浪费大，只能使用一半
• JVM实际实现中，是将内存分为一块较大的Eden区和两块较小的Survivor空间，每次使用Survivor，回收时，把存活的对象复制到另一块Survivor。
• HotSpot默认的Eden和Survivor比是8:1，也就是每次能用90%的新生代空间
• 如果Survivor空间不够，就要依赖老年代进行分配担保，把放不下的对象直接进入老年代
• 分配担保
           分配担保是：当新生代进行垃圾回收后，新生代的存活区放置不下，那么需要把这些对象放置到老年代去的策略，也就是老年代为新生代的GC做空间分配担保。
  a.在发生MinorGC前，JVM会检查老年代的最大可用的连续空间，是否大于新生代所有对象的
            总空间，如果大于，可以确保MinorGC是安全的
  b.如果小于，那么JVM会检查是否设置了允许担保失败，如果允许，则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
  c.如果大于，则尝试进行一次MinorGC
  d.如果不大于，则改做一次Full GC
   

 

3 标记整理算法（Mark-Compact）

        由于复制算法在存活对象比较多的时候，效率较低，且有空间浪费，因此老年代一般不会选用复制算法，老年代多选用标记整理算法。
        标记过程跟标记清除一样，但后续不是直接清除可回收对象，而是让所有存活对象都向一端移动，然后直接清除边界以外的内存。形如：

二 垃圾收集器

           收集算法只是内存回收的方法，垃圾收集器就来具体实现这些这些算法并实现内存回收。不同厂商、不同版本的虚拟机实现差别很大，HotSpot中包含的收集器如下图所示：

 

1 Serial（串行）收集器/Serial Old收集器 

                   1：是一个单线程的收集器，在垃圾收集时，会Stop-the-World
                   2：优点是简单，对于单cpu，由于没有多线程的交互开销，可能更高效，是默认的Client模式下的新生代收集器
                   3：使用-XX:+UseSerialGC来开启会使用：Serial + Serial Old 的收集器组合
                   4：新生代Serial使用复制算法，老年代Serial Old 使用标记-整理算法
     GC日志实例：

[GC (Allocation Failure) [DefNew: 640K->64K(704K), 0.0024945 secs] 640K->488K(1984K), 0.0025664 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 702K->63K(704K), 0.0020210 secs] 1127K->570K(1984K), 0.0020686 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 628K->60K(704K), 0.0014406 secs] 1134K->829K(1984K), 0.0014826 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 671K->0K(704K), 0.0015055 secs][Tenured: 1429K->1429K(1472K), 0.0038983 secs] 1440K->1429K(2176K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0054827 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 1017K->0K(1152K), 0.0013329 secs][Tenured: 2429K->2429K(2576K), 0.0031020 secs] 2447K->2429K(3728K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0045146 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 1040K->1040K(1216K), 0.0000219 secs][Tenured: 2429K->2730K(2752K), 0.0035755 secs] 3470K->3430K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0036585 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 2730K->2701K(2752K), 0.0044666 secs] 3849K->3801K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0045212 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 2701K->2701K(2752K), 0.0031365 secs] 3801K->3801K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0031855 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 

2 ParNew（并行）收集器

                  1：ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。它使用多线程来进行垃圾回收。
                  2：在并发能力好的CPU环境里，它停顿的时间要比串行收集器短；但对于单cpu或并发能力较弱的CPU，由于多线                             程的交互开销，可能比串行回收器更差
                  3：是Server模式下首选的新生代收集器，且能和CMS收集器配合使用
                  4：使用-XX:+UseParNewGC来开启会使用：ParNew + Serial Old的收集器组合
                  5：-XX:ParallelGCThreads：指定线程数，最好与CPU数量一致
                  6：使用复制算法

     GC日志实例：

GC (Allocation Failure) [ParNew: 640K->64K(704K), 0.0012610 secs] 640K->506K(1984K), 0.0013403 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 702K->63K(704K), 0.0008789 secs] 1145K->605K(1984K), 0.0009153 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 627K->63K(704K), 0.0006648 secs] 1169K->909K(1984K), 0.0007063 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 673K->22K(704K), 0.0005780 secs][Tenured: 1493K->1493K(1664K), 0.0026303 secs] 1519K->1493K(2368K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0034575 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 937K->105K(1152K), 0.0006858 secs] 2431K->2399K(3644K), 0.0007502 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 1123K->1123K(1152K), 0.0000196 secs][Tenured: 2293K->2393K(2492K), 0.0041983 secs] 3417K->3394K(3644K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0042940 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 2694K->2694K(2752K), 0.0028808 secs] 3794K->3794K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0029321 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 2694K->2701K(2752K), 0.0047404 secs] 3794K->3701K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0047801 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 2701K->2701K(2752K), 0.0029718 secs] 3801K->3801K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0030227 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 2701K->2701K(2752K), 0.0043294 secs] 3801K->3801K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0043789 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 

3 Parallel Scavenge 收集器/Parallel Old收集器

             是一个应用于新生代的、使用复制算法的、并行的收集器，跟ParNew很类似，但更关注吞吐量
（CPU吞吐量就是运行应用代码的时间/总运行时间，这种收集器能最高效率的利用CPU，适合运行后台
应用）
               1：使用-XX:+UseParallelGC来开启新生代Parallel Scavenge收集器
               2：使用-XX:+UseParallelOldGC来开启老年代使用Parallel Old收集器，使用Parallel Scavenge +
                            Parallel Old的收集器组合
               3：-XX:GCTimeRatio：指定运行应用代码的时间占总时间的比例，默认99，即1%的时间用来进行垃圾收集
               4：-XX:MaxGCPauseMillis：设置GC的最大停顿时间
               5：新生代Parallel Scavenge使用复制算法，老年代Parallel Old使用标记-整理算法
GC日志实例：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 511K->488K(1024K)] 511K->496K(1536K), 0.0009177 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1000K->504K(1024K)] 1008K->584K(1536K), 0.0020611 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1014K->504K(1024K)] 1094K->656K(1536K), 0.0021773 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 917K->488K(1024K)] 1069K->1000K(2048K), 0.0008948 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 996K->504K(1024K)] 1508K->1548K(2560K), 0.0008398 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 504K->0K(1024K)] [ParOldGen: 1044K->1419K(2560K)] 1548K->1419K(3584K), [Metaspace: 3205K->3205K(1056768K)], 0.0096908 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 512K->428K(1024K)] 1931K->2047K(3584K), 0.0004567 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 936K->496K(1024K)] 2555K->2523K(3584K), 0.0005715 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 496K->0K(1024K)] [ParOldGen: 2027K->2419K(2560K)] 2523K->2419K(3584K), [Metaspace: 3205K->3205K(1056768K)], 0.0052797 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 508K->500K(1024K)] [ParOldGen: 2419K->2418K(2560K)] 2928K->2919K(3584K), [Metaspace: 3205K->3205K(1056768K)], 0.0081769 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 500K->500K(1024K)] [ParOldGen: 2518K->2518K(2560K)] 3019K->3019K(3584K), [Metaspace: 3205K->3205K(1056768K)], 0.0032858 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 

4 CMS收集器

               1：分为四个阶段
                                 初始标记：只标记GC Roots能直接关联到的对象
                                 并发标记：进行GC Roots Tracing的过程
                                 重新标记：修正并发标记期间，因程序运行导致标记发生变化的那一部分对象
                                 并发清除：并发回收垃圾对象
               2：在初始标记和重新标记两个阶段还是会发生Stop-the-World
               3：使用标记清除算法，也是一个使用多线程并发收集的垃圾收集器
               4：最后的重置线程，指的是清空跟收集相关的数据并重置，为下一次收集做准备
               5：优点：低停顿、并发执行
               6：缺点：
                        （1）并发执行，对CPU资源压力大
                        （2）无法处理 在处理过程中 产生的垃圾，可能导致FGC
                        （3）采用的标记清除算法会导致大量碎片，从而在分配大对象是可能触发FGC
               7：可设置的参数有：
                        -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用ParNew + CMS + Serial Old的收集器组合，Serial Old将作为CMS出错的后                                     备收集器
                       -XX:+ParallelCMSThreads：设定CMS的线程数量，默认是(ParallelGCThreads+3)/4
                       -XX:+CMSInitiatingOccupancyFraction：设置CMS收集器在老年代空间被使用多少后触发回收，默认68%
                       -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：设置CMS收集器在完成垃圾收集后是否要进行一次内存碎片的
                                  整理，默认是开启的
                       -XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction：设定进行多少次CMS垃圾收集后，进行一次内存整理
                      -XX:+CMSClassUnloadingEnabled：允许对类元数据进行收集
                      -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：表示只在到达阀值的时候，才进行CMS收集

GC日志实例：

[GC (Allocation Failure) [ParNew: 1081K->128K(1216K), 0.0030805 secs] 1081K->564K(2112K), 0.0031878 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 1208K->127K(1216K), 0.0010856 secs] 1644K->1189K(2688K), 0.0011187 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 1062K(1472K)] 1289K(2688K), 0.0003326 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[CMS-concurrent-mark-start]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 1146K->45K(1216K), 0.0011206 secs] 2208K->2185K(3840K), 0.0011612 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 1064K->1064K(1216K), 0.0000359 secs][CMS[CMS-concurrent-mark: 0.001/0.003 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
 (concurrent mode failure): 2140K->2529K(2624K), 0.0052513 secs] 3205K->3129K(3840K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0053702 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [CMS: 2729K->2706K(2752K), 0.0054262 secs] 3849K->3806K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0054999 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [CMS: 2706K->2706K(2752K), 0.0037150 secs] 3806K->3806K(3968K), [Metaspace: 3206K->3206K(1056768K)], 0.0037640 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 2706K(2752K)] 3806K(3968K), 0.0001726 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[CMS-concurrent-preclean-start]
[CMS-concurrent-preclean: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 

  
5 G1（Garbage-First）收集器

            G1是一款面向服务端应用的收集器，与其它收集器相比，具有如下特点：

            1：G1能充分利用多CPU、多核环境硬件优势，尽量缩短STW
            2：G1仍然采用分代的思想，对存活时间较长，经过多次GC仍存活的对象，有不同的处理方式，以获取更好的收集效果
            3：G1整体上采用标记-整理算法，局部是通过复制算法，不会产生内存碎片。
            4：G1把内存划分成多个独立的区域(Region)，保留了新生代和老年代，但它们不再是物理隔离的，而是一部分Region                           的集合，且不需要Region是连续的
            5：G1的停顿可预测，能明确制定在一个时间段内，消耗在垃圾收集上的时间不能超过多长时间。
            6：G1跟踪各个Redion里面垃圾堆的价值大小，在后台维护一个优先列表，每次根据允许的时间来回收价值最大的区                                 域，从而保证在有限时间内的高效收集
            7：跟CMS类似，也分为四个阶段
                    初始标记：只标记GC Roots能直接关联到的对象
                    并发标记：进行GC Roots Tracing的过程
                    最终标记：修正并发标记期间，因程序运行导致标记发生变化的那一部分对象
                    筛选回收：根据时间来进行价值最大化的回收

           8：使用和配置G1
                         a：-XX:+UseG1GC：开启G1
                         b：-XX:+MaxGCPauseMillis=n：最大GC停顿时间，这是个软目标，

                                   JVM将尽可能（但不保证）停顿小于这个时间
                         c：-XX:+InitiatingHeapOccupancyPercent=n：堆占用了多少的时候就触发GC，默认为45
                        d：-XX:NewRatio=n：默认为2
                        e：-XX:SurvivorRatio=n：默认为8
                         f：-XX:MaxTenuringThreshold=n：新生代到老年代的岁数，默认是15
                        g：-XX:ParallelGCThreads=n：并行GC的线程数，默认值会根据平台不同而不同
                        h：-XX:ConcGCThreads=n：并发GC使用的线程数
                        i：-XX:G1ReservePercent=n：设置作为空闲空间的预留内存百分比，以降低目标空间溢出的
                                     风险，默认值是10%
                       j：-XX:G1HeapRegionSize=n：设置的G1区域的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB。目标是
                                 根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。


GC日志实例：

[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0014859 secs]
   [Parallel Time: 1.2 ms, GC Workers: 4]
      [GC Worker Start (ms): Min: 185.0, Avg: 185.0, Max: 185.0, Diff: 0.0]
      [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.3, Avg: 0.4, Max: 0.5, Diff: 0.2, Sum: 1.6]
      [Update RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Processed Buffers: Min: 0, Avg: 0.0, Max: 0, Diff: 0, Sum: 0]
      [Scan RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
      [Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
      [Object Copy (ms): Min: 0.5, Avg: 0.6, Max: 0.7, Diff: 0.2, Sum: 2.5]
      [Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Termination Attempts: Min: 1, Avg: 1.3, Max: 2, Diff: 1, Sum: 5]
      [GC Worker Other (ms): Min: 0.1, Avg: 0.1, Max: 0.1, Diff: 0.1, Sum: 0.4]
      [GC Worker Total (ms): Min: 1.1, Avg: 1.1, Max: 1.1, Diff: 0.0, Sum: 4.4]
      [GC Worker End (ms): Min: 186.1, Avg: 186.1, Max: 186.1, Diff: 0.0]
   [Code Root Fixup: 0.0 ms]
   [Code Root Purge: 0.0 ms]
   [Clear CT: 0.0 ms]
   [Other: 0.3 ms]
      [Choose CSet: 0.0 ms]
      [Ref Proc: 0.1 ms]
      [Ref Enq: 0.0 ms]
      [Redirty Cards: 0.0 ms]
      [Humongous Register: 0.0 ms]
      [Humongous Reclaim: 0.0 ms]
      [Free CSet: 0.0 ms]
   [Eden: 1024.0K(1024.0K)->0.0B(1024.0K) Survivors: 0.0B->1024.0K Heap: 1024.0K(2048.0K)->664.1K(2048.0K)]
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   二 垃圾收集器所用到的算法总结