Java虚拟机JVM之HotSpot算法实现与垃圾收集器

在上一章节讲解了判断对象是否存活于垃圾回收算法我们已经对虚拟机是进行 GC 的流程有了一个大致的了解。但是，在 HotSpot 虚拟机中，高效的实现这些算法也是一个需要考虑的问题。所以，接下来，我们将研究一下 HotSpot 虚拟机到底是如何高效的实现这些算法的，以及在实现中有哪些需要注意的问题。

一、HotSpot算法实现

1、枚举根节点

2、安全点

3、安全区域

二、垃圾收集器

1、新生代垃圾收集器

① Serial 垃圾收集器（单线程）

② ParNew 垃圾收集器（多线程）

③ Parallel Scavenge 垃圾收集器（多线程）

2、老年代垃圾收集器

① Serial Old 垃圾收集器（单线程）

②、Parallel Old 垃圾收集器（多线程）

③、CMS 垃圾收集器

3、G1 通用垃圾收集器

4、分析GC日志

5、垃圾收集器常用参数总结

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一、HotSpot算法实现

1、枚举根节点

在进行可达性分析查找引用链判断对象是否存活时，有可能数据量非常大，如果需要依次遍历的就太浪费时间。而且，在进行可达性分析时，对时间的敏感性非常高，因为如果在进行可达性分析时，对象的引用关系还在不断的变化，那么分析的结果就无法保证，所以需要停止java所有正在执行的线程（“stop the world”）；所以为了提高GC的效率HotSpot提供了一个OopMap的数据结构，记录了栈和寄存器到堆中的对象引用关系，所以在进行GC的时候，只需要遍历OopMap就可以了

2、安全点

虽然使用了OopMap可以进行快速准确的GC枚举，但是引用关系并不是一成不变的，如果每次引用关系发生变化，就需要重新生成OopMap，这样GC的成本就大高了。因此HotSpot采用了一个为安全点（safepoint）的“特定位置”来进行生成OopMap。也只有处于安全点的时候暂停才能进行GC操作，所以就必须合理的选取安全点，既不能让 GC 等待的时间过长，也不能过于频繁增加运行负担，也就是说，我们既要让程序运行一段时间，又不能让这个时间太长。我们知道，JVM 中每条指令执行的是很快的，所以一个超级长的指令流也可能很快就执行完了，所以 真正会出现 “长时间执行” 的一般是指令的复用，例如：方法调用、循环跳转、异常跳转等，虚拟机一般会将这些地方设置为安全点更新 OopMap 并判断是否需要进行 GC 操作。

上面说到枚举根节点对时间敏感性很强，而且需要进入到安全点才能进行GC操作，那么什么时候到停顿进行GC操作？

• 抢先式中断（基本不再使用）：
  • 先中断所有线程；
  • 发现有线程没中断在安全点，恢复它，让它跑到安全点。
• 主动式中断： (主要使用)
  • 设置一个中断标记；
  • 每个线程到达安全点时，检查这个中断标记，选择是否中断自己。

3、安全区域

一个一直在执行的线程可以自己 “走” 到安全点去，可是一个处于 Sleep 或者 Blocked 状态的线程是没办法自己到达安全点中断自己的，我们总不能让 GC 操作一直等着这些个 ”不执行“ 的线程重新被分配资源吧。对于这种情况，我们要依靠安全区域来解决。

安全区域：是指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化，因此在这个区域中的任意位置开始 GC 都是安全的。

当线程执行到安全区域时，它会把自己标识为 Safe Region，这样 JVM 发起 GC 时是不会理会这个线程的。当这个线程要离开安全区域时，它会检查系统是否在 GC 中，如果不在，它就继续执行，如果在，它就等 GC 结束再继续执行。

 

二、垃圾收集器

我们知道了HotSpot 虚拟机是如何发起内存回收的，也就是如何找到死掉的对象，至于如何清掉这些个对象，HotSpot 将其交给了一堆叫做 ”GC 收集器“ 的东西，这东西又有好多种，不同的 GC 收集器的处理方式不同，适用的场景也不同，垃圾收集器就是内存回收操作的具体实现，HotSpot 里足足有 7 种。有的属于新生代收集器，有的属于老年代收集器，所以一般是搭配使用的

1、新生代垃圾收集器

① Serial 垃圾收集器（单线程）

只开启一条 GC 线程进行垃圾回收，并且在垃圾收集过程中停止一切用户线程(Stop The World)。

一般客户端应用所需内存较小，不会创建太多对象，而且堆内存不大，因此垃圾收集器回收时间短，即使在这段时间停止一切用户线程，也不会感觉明显卡顿。因此 Serial 垃圾收集器适合客户端使用。

由于 Serial 收集器只使用一条 GC 线程，避免了线程切换的开销，从而简单高效。 

Serial垃圾收集器

 

② ParNew 垃圾收集器（多线程）

ParNew 是 Serial 的多线程版本。由多条 GC 线程并行地进行垃圾清理。但清理过程依然需要 Stop The World。

ParNew 追求“低停顿时间”,与 Serial 唯一区别就是使用了多线程进行垃圾收集，在多 CPU 环境下性能比 Serial 会有一定程度的提升；但线程切换需要额外的开销，因此在单 CPU 环境中表现不如 Serial。

ParNew垃圾收集器

• 通过参数-XX:+UseConcMarkSweepGC 设置ParNew为默认新生代垃圾收集器
• 通过参数-XX:+UseParNewGC 强制设置ParNew为新生代垃圾收集器
• 通过参数-XX:ParallelGCThreads 来设置垃圾收集器的线程数

③ Parallel Scavenge 垃圾收集器（多线程）

Parallel Scavenge 和 ParNew 一样，都是多线程、新生代垃圾收集器。但是两者有巨大的不同点：

• Parallel Scavenge：追求 CPU 吞吐量，能够在较短时间内完成指定任务，因此适合没有交互的后台计算。
• ParNew：追求降低用户停顿时间，适合交互式应用。

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)

追求高吞吐量，可以通过减少 GC 执行实际工作的时间，然而，仅仅偶尔运行 GC 意味着每当 GC 运行时将有许多工作要做，因为在此期间积累在堆中的对象数量很高。单个 GC 需要花更多的时间来完成，从而导致更高的暂停时间。而考虑到低暂停时间，最好频繁运行 GC 以便更快速完成，反过来又导致吞吐量下降。

• 通过参数 -XX:GCTimeRadio 设置垃圾回收时间占总 CPU 时间的百分比。
• 通过参数 -XX:MaxGCPauseMillis 设置垃圾处理过程最久停顿时间。
• 通过命令 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy 开启自适应策略。我们只要设置好堆的大小和 MaxGCPauseMillis 或 GCTimeRadio，收集器会自动调整新生代的大小、Eden 和 Survivor 的比例、对象进入老年代的年龄，以最大程度上接近我们设置的 MaxGCPauseMillis 或 GCTimeRadio。

2、老年代垃圾收集器

① Serial Old 垃圾收集器（单线程）

Serial Old 收集器是 Serial 的老年代版本，都是单线程收集器，只启用一条 GC 线程，都适合客户端应用。它们唯一的区别就是：Serial Old 工作在老年代，使用“标记-整理”算法；Serial 工作在新生代，使用“复制”算法。

Serial/ParNew结合Serial Old垃圾收集

②、Parallel Old 垃圾收集器（多线程）

Parallel Old 收集器是 Parallel Scavenge 的老年代版本，追求 CPU 吞吐量。

③、CMS 垃圾收集器

CMS(Concurrent Mark Sweep，并发标记清除)收集器是以获取最短回收停顿时间为目标的收集器（追求低停顿），它在垃圾收集时使得用户线程和 GC 线程并发执行，因此在垃圾收集过程中用户也不会感到明显的卡顿。

• 初始标记：Stop The World，仅使用一条初始标记线程对所有与 GC Roots 直接关联的对象进行标记。
• 并发标记：使用多条标记线程，与用户线程并发执行。此过程进行可达性分析，标记出所有废弃对象。速度很慢。
• 重新标记：Stop The World，使用多条标记线程并发执行，将刚才并发标记过程中新出现的废弃对象标记出来。
• 并发清除：只使用一条 GC 线程，与用户线程并发执行，清除刚才标记的对象。这个过程非常耗时。

并发标记与并发清除过程耗时最长，且可以与用户线程一起工作，因此，总体上说，CMS 收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

CMS垃圾收集器

CMS 的缺点：

• 吞吐量低
• 无法处理浮动垃圾，导致频繁 Full GC
• 使用“标记-清除”算法产生碎片空间

对于产生碎片空间的问题，可以通过开启 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，在每次 Full GC 完成后都会进行一次内存压缩整理，将零散在各处的对象整理到一块。设置参数 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction告诉 CMS，经过了 N 次 Full GC 之后再进行一次内存整理。

3、G1 通用垃圾收集器

G1 是一款面向服务端应用的垃圾收集器，它没有新生代和老年代的概念，而是将堆划分为一块块独立的 Region。当要进行垃圾收集时，首先估计每个 Region 中垃圾的数量，每次都从垃圾回收价值最大的 Region 开始回收，因此可以获得最大的回收效率。

从整体上看， G1 是基于“标记-整理”算法实现的收集器，从局部（两个 Region 之间）上看是基于“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。

如果一个对象和它内部所引用的对象可能不在同一个 Region 中，那么当垃圾回收时，是否需要扫描整个堆内存才能完整地进行一次可达性分析？

并不需要！每个 Region 都有一个 Remembered Set，用于记录本区域中所有对象引用的对象所在的区域，进行可达性分析时，只要在 GC Roots 中再加上 Remembered Set 即可防止对整个堆内存进行遍历。

如果不计算维护 Remembered Set 的操作，G1 收集器的工作过程分为以下几个步骤：

• 初始标记：Stop The World，仅使用一条初始标记线程对所有与 GC Roots 直接关联的对象进行标记。
• 并发标记：使用一条标记线程与用户线程并发执行。此过程进行可达性分析，速度很慢。
• 最终标记：Stop The World，使用多条标记线程并发执行。
• 筛选回收：回收废弃对象，此时也要 Stop The World，并使用多条筛选回收线程并发执行。

G1垃圾收集器

 

名词解析：在jvm垃圾收集中

并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，而用户线程仍然处于等待状态

并发（concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（不一定处于并行中，可能交替执行），但是处于不同的CPU中。

4、分析GC日志

GC日志

 

5、垃圾收集器常用参数总结

参数	描述
UseSerialGC	虚拟机运行在Client模式下的默认值，打开此开关后，使用Serial + Serial Old的收集器组合进行内存回收
UseParNewGC	打开此开关后，使用ParNew + Serial Old的收集器组合进行内存回收
UseConcMarkSweepGC	打开此开关后，使用ParNew+ CMS + Serial Old的收集器组合进行内存回收。Serial Old收集器将作为CMS收集器出现Concurrent Mode Failure失败后的后备收集器使用
UseParallelGC	虚拟机运行在Server模式下的默认值，打开此开关后，使用Parallel Scavenge + Serial Old (PS Mark Sweep)的收集器组合进行内存回收
UserParallelOldGC	打开此开关后，使用Parallel Scavenge + Parallel Old的收集器组合进行内存回收
SurvivorRatio	新生代中Eden区域与Survivor区域的容量比值，默认为8，代表Eden: Survivor = 8:1
PretenureSizeThreshold	直接晋升到老年代的对象大小，设置这个参数后，大于这个参数的对象将直接在老年代分配
MaxTenuringThreshold	晋升到老年代的对象年龄。每个对象在坚持过一次Minor GC之后，年龄就增加1，当超过这个参数值时就进入老年代
UseAdaptiveSizePolicy	动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄
HandlePromotionFailure	是否允许分配担保失败，即老年代的剩余空间不足以应付新生代的整个Eden和Survivor区的所有对象都存活的极端情况
ParallelGCThreads	设置并行GC时进行内存回收的线程数
GCTimeRatio	GC时间占总时间的比率，默认值是99， 即允许1%的GC时间。仅在使用Parallel Scavenge收集器时生效
MaxGCPauseMillis	设置GC的最大停顿时间。仅在使用Parallel Scavenge收集器时生效
CMSInitiatingOccupancyFraction	设置CMS收集器在老年代时间被使用多少后触发垃圾收集。默认值为68%，仅在使用CMS收集器时生效
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整理。仅在使用CMS收集器时生效
CMSFullGCsBeforeCompaction	设置CMS收集器在进行若干次垃圾收集后再启动一次内存碎片整理，仅在使用CMS收集器时生效