垃圾收集器

垃圾收集器

垃圾收集器_第1张图片

图展示了七种作用于不同分代的收集器,如果两个收集器之间存在连线,就说明它们可以搭配使用[3],图中收集器所处的区域,则表示它是属于新生代收集器抑或是老年代收集器。

ps:为什么垃圾收集器需要一般情况下需要两个以上配合一起使用呢?

因为一般情况下,老年代不支持复制算法,而新生代支持复制算法,而垃圾收集器是根据某一种垃圾收集算法设计的。因此有的垃圾收集器支持新生代,有的垃圾收集器支持老年代。所以,一般要有一个专门针对于新生代的垃圾收集器配合一个专门针对于老年代的垃圾收集器。

Serial收集器

Serial收集器是最基础、历史最悠久的收集器。这个收集器是一个单线程工作的收集器,但它的“单线程”的意义并不仅仅是说明它只会使用一个处理器或一条收集线程去完成垃圾收集工作,更重要的是强调在它进行垃圾收集时,必须暂停其他所有工作线程,直到它收集结束,也就是Stop The World。

垃圾收集器_第2张图片

ParNew收集器

ParNew收集器实质上是Serial收集器的多线程并行版本。

ParNew收集器除了支持多线程并行收集之外,其他与Serial收集器相比并没有太多创新之处,但它却是不少运行在服务端模式下的HotSpot虚拟机。

除了Serial收集器外,目前只有它能与CMS收集器配合工作。

ParNew对于垃圾收集时系统资源的高效利用还是很有好处的。它默认开启的收集线程数与处理器核心数量相同,在处理器核心非常多(譬如32个,现在CPU都是多核加超线程设计,服务器达到或超过32个逻辑核心的情况非常普遍)的环境中,可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。

垃圾收集器_第3张图片

G1是一个面向全堆的收集器,不再需要其他新生代收集器的配合工作。所以自JDK 9开始,ParNew加CMS收集器的组合就不再是官方推荐的服务端模式下的收集器解决方案了。官方希望它能完全被G1所取代,甚至还取消了ParNew加

Serial Old以及Serial加CMS这两组收集器组合的支持(其实原本也很少人这样使用),并直接取消了-XX:+UseParNewGC参数,这意味着ParNew和CMS从此只能互相搭配使用,再也没有其他收集器能够和它们配合了。读者也可以理解为从此以后,ParNew合并入CMS,成为它专门处理新生代的组成部分。ParNew可以说是HotSpot虚拟机中第一款退出历史舞台的垃圾收集器。

Parallel Scavenge 收集器

基于标记-复制算法实现的收集器,也是能够并行收集的多线程收集器。

关注的点:Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量(Throughput)。

吞吐量 = 用户代码运行时间/(用户代码运行时间+垃圾收集时间)

Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量,分别是控制最大垃圾收集停顿时间的-XX:MaxGCPauseMillis参数以及直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio参数。

垃圾收集停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间为代价换取的。

Serial Old收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本,它同样是一个单线程收集器,使用标记-整理算法。这个收集器的主要意义也是供客户端模式下的HotSpot虚拟机使用。如果在服务端模式下,它也可能有两种用途:一种是在JDK 5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用[1],另外一种就是作为CMS收集器发生失败时的后备预案,在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。

垃圾收集器_第4张图片

Parallel Old 收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本,支持多线程并发收集,基于标记-整理算法实现。

这个收集器是直到JDK 6时才开始提供的,在此之前,新生代的Parallel Scavenge收集器一直处于相当尴尬的状态,原因是如果新生代选择了Parallel Scavenge收集器,老年代除了Serial Old(PS MarkSweep)收集器以外别无选择,其他表现良好的老年代收集器,如CMS无法与它配合工作。

直到Parallel Old收集器出现后,“吞吐量优先”收集器终于有了比较名副其实的搭配组合,在注重吞吐量或者处理器资源较为稀缺的场合,都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器这个组合。

CMS收集器

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用集中在互联网网站或者基于浏览器的B/S系统的服务端上,这类应用通常都会较为关注服务的响应速度,希望系统停顿时间尽可能短,以给用户带来良好的交互体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。

是基于标记-清除算法实现。

它的运作过程相对于前面几种收集器来说要更复杂一些,整个过程分为四个步骤,包括:

1)初始标记(CMS initial mark)

2)并发标记(CMS concurrent mark)

3)重新标记(CMS remark)

4)并发清除(CMS concurrent sweep)

  • 初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。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;
  • 并发标记阶段就是从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程,这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程,可以与垃圾收集线程一起并发运行。
  • 而重新标记阶段则是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(详见3.4.6节中关于增量更新的讲解),这个阶段的停顿时间通常会比初始标记阶段稍长一些,但也远比并发标记阶段的时间短;
  • 并发清除阶段,清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象,由于不需要移动存活对象,所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的。

缺点

  • 对处理器资源比较敏感,虽然不会停顿,但是占用部分线程,导致系统吞吐量降低。CMS默认启动的回收线程数是(处理器核心数量+3)/4,也就是说,如果处理器核心数在四个或以上,并发回收时垃圾收集线程只占用不超过25%的处理器运算资源,并且会随着处理器核心数量的增加而下降。但是当处理器核心数量不足四个时,CMS对用户程序的影响就可能变得很大。如果应用本来的处理器负载就很高,还要分出一半的运算能力去执行收集器线程,就可能导致用户程序的执行速度忽然大幅降低。
  • 由于CMS收集器无法处理“浮动垃圾”(Floating Garbage),有可能出现“Con-current Mode Failure”失败进而导致另一次完全“Stop The World”的Full GC的产生。在CMS的并发标记和并发清理阶段,用户线程是还在继续运行的,程序在运行自然就还会伴随有新的垃圾对象不断产生,但这一部分垃圾对象是出现在标记过程结束以后,CMS无法在当次收集中处理掉它们,只好留待下一次垃圾收集时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”。同样也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要持续运行,那就还需要预留足够内存空间提供给用户线程使用,因此CMS收集器不能像其他收集器那样等待到老年代几乎完全被填满了再进行收集,必须预留一部分空间供并发收集时的程序运作使用在JDK5的默认设置下,CMS收集器当老年代使用了68%的空间后就会被激活,这是一个偏保守的设置,如果在实际应用中老年代增长并不是太快,可以适当调高参数-XX:CMSInitiatingOccu-pancyFraction的值来提高CMS的触发百分比,降低内存回收频率,获取更好的性能。到了JDK 6时,CMS收集器的启动阈值就已经默认提升至92%。但这又会更容易面临另一种风险:要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序分配新对象的需要,就会出现一次“并发失败”(Concurrent Mode Failure),这时候虚拟机将不得不启动后备预案:冻结用户线程的执行,临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集,但这样停顿时间就很长了。所以参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置得太高将会很容易导致大量的并发失败产生,性能反而降低,用户应在生产环境中根据实际应用情况来权衡设置。
  • CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器,这意味着收集结束时会有大量空间碎片产生。空间碎片过多时,将会给大对象分配带来很大麻烦,往往会出现老年代还有很多剩余空间,但就是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象,而不得不提前触发一次Full GC的情况。为了解决这个问题,CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMS-CompactAtFullCollection开关参数(默认是开启的,此参数从JDK 9开始废弃),用于在CMS收集器不得不进行Full GC时开启内存碎片的合并整理过程,由于这个内存整理必须移动存活对象,(在Shenandoah和ZGC出现前)是无法并发的。这样空间碎片问题是解决了,但停顿时间又会变长,因此虚拟机设计者们还提供了另外一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction(此参数从JDK 9开始废弃),这个参数的作用是要求CMS收集器在执行过若干次(数量由参数值决定)不整理空间的Full GC之后,下一次进入Full GC前会先进行碎片整理(默认值为0,表示每次进入Full GC时都进行碎片整理)。

Garbage First (G1)收集器

开创了收集器面向局部收集的设计思路和基于Region的内存布局形式。

G1是一款主要面向服务端应用的垃圾收集器。JDK 9发布之日,G1宣告取代Parallel Scavenge加Parallel Old组合,成为服务端模式下的默认垃圾收集器,而CMS则沦落至被声明为不推荐使用(Deprecate)的收集器。

面向堆内存任何部分来组成回收集(Collection Set,一般简称CSet)进行回收,衡量标准不再是它属于哪个分代,而是哪块内存中存放的垃圾数量最多,回收收益最大,这就是G1收集器的Mixed GC模式。

Region分代

G1开创的基于Region的堆内存布局是它能够实现这个目标的关键。虽然G1也仍是遵循分代收集理论设计的,但其堆内存的布局与其他收集器有非常明显的差异:G1不再坚持固定大小以及固定数量的分代区域划分,而是把连续的Java堆划分为多个大小相等的独立区域(Region),每一个Region都可以根据需要,扮演新生代的Eden空间、Survivor空间,或者老年代空间。收集器能够对扮演不同角色的Region采用不同的策略去处理,这样无论是新创建的对象还是已经存活了一段时间、熬过多次收集的旧对象都能获取很好的收集效果。

Region中还有一类特殊的Humongous区域,专门用来存储大对象。G1认为只要大小超过了一个Region容量一半的对象即可判定为大对象。每个Region的大小可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize设定,取值范围为1MB~32MB,且应为2的N次幂。而对于那些超过了整个Region容量的超级大对象,将会被存放在N个连续的Humongous Region之中,G1的大多数行为都把Humongous Region作为老年代的一部分来进行看待。

G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型,是因为它将Region作为单次回收的最小单元,即每次收集到的内存空间都是Region大小的整数倍,这样可以有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。更具体的处理思路是让G1收集器去跟踪各个Region里面的垃圾堆积的“价值”大小,价值即回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值,然后在后台维护一个优先级列表,每次根据用户设定允许的收集停顿时间(使用参数-XX:MaxGCPauseMillis指定,默认值是200毫秒),优先处理回收价值收益最大的那些Region,这也就是“Garbage First”名字的由来。

科普:规划JDK 10功能目标时,HotSpot虚拟机提出了“统一垃圾收集器接口”,将内存回收的“行为”与“实现”进行分离,CMS以及其他收集器都重构成基于这套接口的一种实现。以此为基础,日后要移除或者加入某一款收集器,都会变得容易许多,风险也可以控制,这算是在为CMS退出历史舞台铺下最后的道路了。

G1收集器的运作过程大致可划分为以下四个步骤:

  • 初始标记(Initial Marking):仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象,并且修改TAMS指针的值,让下一阶段用户线程并发运行时,能正确地在可用的Region中分配新对象。这个阶段需要停顿线程,但耗时很短,而且是借用进行Minor GC的时候同步完成的,所以G1收集器在这个阶段实际并没有额外的停顿。
  • 并发标记(Concurrent Marking):从GC Root开始对堆中对象进行可达性分析,递归扫描整个堆里的对象图,找出要回收的对象,这阶段耗时较长,但可与用户程序并发执行。当对象图扫描完成以后,还要重新处理SATB记录下的在并发时有引用变动的对象。
  • 最终标记(Final Marking):对用户线程做另一个短暂的暂停,用于处理并发阶段结束后仍遗留下来的最后那少量的SATB记录。
  • 筛选回收(Live Data Counting and Evacuation):负责更新Region的统计数据,对各个Region的回收价值和成本进行排序,根据用户所期望的停顿时间来制定回收计划,可以自由选择任意多个Region构成回收集,然后把决定回收的那一部分Region的存活对象复制到空的Region中,再清理掉整个旧Region的全部空间。这里的操作涉及存活对象的移动,是必须暂停用户线程,由多条收集器线程并行完成的。

Shenandoah收集器

Shenandoah作为第一款不由Oracle(包括以前的Sun)公司的虚拟机团队所领导开发的HotSpot垃圾收集器。

Oracle仍明确拒绝在OracleJDK 12中支持Shenandoah收集器,Shenandoah是一款只有OpenJDK才会包含,而OracleJDK里反而不存在的收集器。

Shenandoah反而更像是G1的下一代继承者,它们两者有着相似的堆内存布局,在初始标记、并发标记等许多阶段的处理思路上都高度一致,甚至还直接共享了一部分实现代码,这使得部分对G1的打磨改进和Bug修改会同时反映在Shenandoah之上,而由于Shenandoah加入所带来的一些新特性,也有部分会出现在G1收集器中,譬如在并发失败后作为“逃生门”的Full GC[3],G1就是由于合并了Shenandoah的代码才获得多线程Full GC的支持。

ZGC收集器

是一款在JDK 11中新加入的具有实验性质[1]的低延迟垃圾收集器,是由Oracle公司研发的。

ZGC和Shenandoah的目标是高度相似的,都希望在尽可能对吞吐量影响不太大的前提下,实现在任意堆内存大小下都可以把垃圾收集的停顿时间限制在十毫秒以内的低延迟。

参考:《深入理解Java虚拟机》

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