全面对比5大GC的内存伸缩能力

在软件开发中，很明显，与大型应用程序相比，小而灵活的微服务可以提供更多的优势。而JDK9的Jigsaw更加有助于分解我们的Java应用程序，从而构建更适合云原生的应用程序和微服务。而随着服务的用户越来越多，我们的应用程序需要水平扩容。在这个扩容过程中，其在单个容器中的预配置资源消耗将复制到每个实例。如此一来，正确配置垃圾回收器，这个Java程序最基础的组件，将会很大程度的影响整个项目对资源的利用率。

本文对比测试垃圾回收器的内存伸缩能力，总计覆盖5大GC:

• G1
• Parallel
• ConcMarkSweep (CMS)
• Serial
• Shenandoah

为了测试需要，准备了一段示例代码，github地址为： https://github.com/jelastic/java-vertical-scaling-test。代码非常简单，只有3个java类：

1. MemoryUsage.java：每隔3秒利用MemoryUsage输出used/committed/max内存。
2. Load.java：不断分配内存，且每分配100次会sleep一段时间。
3. Test.java：不断调用Load.java分配内存。

测试过程中配置的JVM参数如下：

java -XX:+Use[gc_name]GC -Xmx2g -Xms32m -jar app.jar [sleep]

说明：

• gc_name：表示指定的具体垃圾回收器；
• Xms：初始化内存大小；
• Xmx：内存使用上限；
• sleep：即控制Load.java的sleep时间；

G1GC

我们首先要测试的就是G1，从JDK9以后，G1已经取代ParallelGC成为默认的GC。如果想在低版本JDK中使用G1，那么需要通过参数-XX:+UseG1GC显示指定GC。

G1最大的优势就是能压缩空闲内存，而且不需要很长的停顿时间。并且能回收不再使用的内存。经过测试发现，G1也是这方面表现最好的垃圾回收器。

现在，我们对G1进行3次测试，测试的sleep分别为0，10，100。即表示内存分配速度由快到慢。

• 快速分配内存

对应的JVM参数如下，sleep为0，即持续不断的分配内存：

java -XX:+UseG1GC -Xmx2g -Xms32m -jar app.jar 0

对应的内存趋势图如下所示：

g1 memory

由图可知，发生FGC后，Reserved和Used内存非常及时的下降到最低水平。所以：G1的表现非常好，不再使用的内存归还给操作系统的速度非常快。

• 中速分配内存

对应的JVM参数如下，sleep为10：

java -XX:+UseG1GC -Xmx2g -Xms32m -jar app.jar 10

对应的内存趋势图如下所示：

g1 memory

• 慢速分配内存

对应的JVM参数如下，sleep为100：

java -XX:+UseG1GC -Xmx2g -Xms32m -jar app.jar 100

对应的内存趋势图如下所示：

g1 memory

由图可知，Reserved内存和Used内存几乎完全同步，因为可以得出结论：G1并不会过多的申请内存。

• AggressiveHeap

再做一个测试，配置JVM参数-XX:+AggressiveHeap，或者认为Xmx和Xms一样大，对应的JVM参数如下：

java -XX:+UseG1GC -Xmx2g -Xms2g
或者
java -XX:+UseG1GC -Xmx2g -XX:+AggressiveHeap

对应的内存趋势图如下所示：

g1 memory

由图可知，Reserved内存一直和Xmx一样大，不会有任何改变，即使你的程序可能只需要几十M甚至更少的内存，JVM也不会把那些未使用的可用内存归还给操作系统。如此一来，其他程序就无法使用这些这些内存。

所以，如果想要你的应用程序能弹性使用内存，确保没有配置-XX:+AggressiveHeap，或者Xms小于Xmx。

ParallelGC

ParallelGC以高吞吐量为主要目标，我们配置如下JVM参数：

java -XX:+UseParallelGC -Xmx2g -Xms32m -jar app.jar 10

对应的内存趋势图如下所示：

parallel memory

由图可知，FGC后未使用的内存没有被归还给操作系统（Reserved内存曲线并没有下降）。配置了ParallelGC的JVM会一直持有这些内存，除非发生了重启行为。所以，ParallelGC是不具备伸缩能力的垃圾回收器。

Serial&CMS

Serial和CMS都是可伸缩的垃圾回收器。但是效果与G1相比有一定的差距，它们需要4次FGC周期才能释放所有不再使用的内存。我们配置如下JVM参数：

java -XX:+UseSerialGC -Xmx2g -Xms32m -jar app.jar 10

对应的内存趋势图如下所示：

serial memory

配置CMS也是类似的效果，JVM参数如下：

java -XX:+UseConcMarkSweepGC -Xmx2g -Xms32m -jar app.jar 10

对应的内存趋势图如下所示：

cms memory

说明：从JDK9开始，不再使用的内存可以通过JVM参数-XX:-ShrinkHeapInSteps，在第一次FGC后加速释放。

ShenandoahGC

ShenandoahGC是JDK12推出的基于Region设计的全新垃圾回收器。它非常大的不同就是：ShenandoahGC不需要FGC就能异步回收不再使用的内存并归还给操作系统。Shenandoah在探测到可用内存后，几乎能够立即清理垃圾然后把这部分内存归还给操作系统。让我们配置如下的JVM参数：

java -XX:+UseShenandoahGC -Xmx2g -Xms32m 
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions
-XX:ShenandoahUncommitDelay=1000 
-XX:ShenandoahGuaranteedGCInterval=10000 -jar app.jar 10

对应的内存趋势图如下所示：

ShenandoahGC memory

由图可知，ShenandoahGC非常弹性（elastic），即使没有发生任何FGC，它也能马上把不再使用的内存归还给操作系统。

总结

根据上面的测试结果可知，只有ParallelGC不具备内存伸缩能力。而其他的GC，例如：Serial，CMS，G1，ShenandoahGC都具备内存伸缩能力。其中Serial和CMS的效果一般，G1需要借助FGC才能将不再使用的内存归还给操作系统。至于JDK12带来的ShenandoahGC，效果非常好，而且不需要依赖FGC，异步就能完成完成内存伸缩。

Java不断完善和适应不断变化的需求。 因此，其对内存的贪婪对微服务和云托管程序来说不再是问题，因为已经有正确的工具和方法来正确地扩展它，清理垃圾并释放进程的资源。 通过合理的配置，Java对于所有项目都具有成本效益 - 从云原生到传统企业应用程序。