JVM垃圾收集器（二）

目录

1、Serial

2、ParNew

3、Parallel Scavenge

4、Serial Old

5、Parallel Old

6、CMS

1、为什么需要两次“stop the world”

2、CMS的并发带来的问题

3、CMS的触发时机

4、CMS的缺陷

5、为什么CMS用清除算法

7、G1

1、Region

2、设计Region的意义

3、G1的三种模式

4、Mixed GC的运行过程

5、Card Table

6、三色标记法

7、STAB

8、G1的特点

8、JDK 默认垃圾收集器

---

规范中并未规定垃圾收集器如何实现，所以不同的虚拟机都提供了各种收集器，让用户根据需求组合使用。

HotSpot的各种收集器：

两个收集器之间存在连线，表示它们可以搭配使用。提供这么多种组合，还是因为每款收集器各有优劣，至今没有十全十美的收集器。

1、Serial

这是最基础的收集器，用于新生代，名字的意思是“串行”。

这是一个单线程工作的收集器，单线程指的是它只使用一条线程来进行垃圾收集。

标记-复制算法。

它的原理和流程比较简单，但由于停止线程这个动作是虚拟机主动发起的，用户线程不可知，突然就被停掉，不是很好。

后续垃圾收集器的一大目标，就是缩短用户线程的停顿时间，但始终没有办法不停顿。

2、ParNew

这是Serial的多线程并行版本，默认开启的收集线程数和cpu数量一样，可以同时使用多条线程进行并行的垃圾收集。

除了Serial外，只有ParNew能与CMS配合工作。CMS具有划时代意义，后来ParNew可以视为合并成了CMS的专用新生代收集器。

标记-复制算法。

3、Parallel Scavenge

也是针对新生代，支持多线程并行收集，特点是关注点不同。

• CMS等收集器的关注点是，尽可能缩短垃圾回收时用户线程的停顿时间

• 而Parallel Scavenge的关注点是，保证一个可控制的吞吐量，保证用户体验。

  （这里的吞吐量指的是，单位时间内（运行用户代码+进行垃圾收集），用户代码执行时间的占比）

由于关注吞吐量，所以Parallel Scavenge也被称为“吞吐量优先收集器”。        

适合注重吞吐量，或者处理器资源稀缺的场景。

标记-复制算法。

4、Serial Old

这是Serial的老年代版本，也是单线程的，使用标记-整理算法。

5、Parallel Old

这是Parallel Scavenge的老年代版本，支持多线程并发收集，使用标记-整理算法。

6、CMS

CMS（Concurrent Mark Sweep）是一种以达到“最短回收停顿时间”为目标的收集器。适合关注响应速度的服务器。

它比一般的标记-清除算法要复杂一些，分为以下4个阶段：

• 初始标记：Stop The World，标记GC Roots能直接关联到的对象，比较快。
• 并发标记：执行GC Roots跟踪标记过程，可以和用户线程并发执行，不需要暂停用户线程。
• 重新标记：Stop The World，对标记期间产生的对象存活性的再次判断，修正对这些对象的标记，执行时间相对并发标记短。
• 并发清除：清除对象，可以和用户线程并发执行。

CMS是清理老年代的。

1、每阶段做的事情

初始标记

工作模式：JDK7之前单线程，JDK8之后多线程

目的：标记存活对象

包括两部分：

• 标记老年代中GC Roots能直接关联到的对象
• 标记新生代中还存活的，包含指向老年代的引用的对象，即额外考虑新生代对老年代的跨代引用

此阶段会stw，为了缩短停顿时间，可以开启初始标记并行化，-XX:+CMSParallelInitialMarkEnabled，同时调大并发标记的线程数，不过不要超过CPU的核数

并发标记

目的：顺着初始标记阶段标记出的存活对象，找出所有的存活对象

因为是和用户线程并发执行，所以期间可能发生这些动作：

• 新生代对象晋升到老年代
• 直接在老年代分配大对象
• 老年代对象之间的引用关系发生变化

对于这些对象，都需要重新标记当前的最新状态，否则就可能漏标存活对象。

为了提高重新标记的效率，避免重新扫描整个老年代，此阶段在发现上述行为后，会把该对象所在的card标记为脏卡，后续只需要扫描所有脏卡来处理。

因此，并发标记阶段完成后，老年代的所有存活对象并不会都被标记，还有一部分以脏卡的形式被记录，等待后续处理。

预清理阶段

目的：扫描所有脏卡，检查脏卡内所有对象的引用关系，标记存活对象

可终止的预处理

目的：这个阶段去尝试进行重新标记阶段的工作，因为重新标记阶段会stw，这样能减少一些停顿时间

此阶段最大持续时间为5秒，因为它期待这5秒内能发生一次young gc，清理新生代，进而减少下阶段扫描跨代引用的时间

重新标记

目的：完成对整个老年代的所有存活对象的标记，stw

用到三色标记里的增量更新算法做重新标记

调优：

这个阶段虽然目的是标记老年代，但是需要扫描整个堆，因为新生代可能存在对老年代的跨代引用。

为了以高效率，可以加入参数-XX:+CMSScavengeBeforeRemark，在重新标记之前进行一次young gc。

这样，只需要扫描较小的新生代，大大提高效率。

并发清理

1、为什么需要两次“stop the world”

在“初始标记”阶段，CMS会快速扫描一下能和GC Roots直接关联到的对象，之后就会解除暂停。

之后和用户线程并发执行，进行对象的可达性分析。

但是，在用户线程执行的过程中，引用关系很可能产生了变化，于是就再次stop the world，修改这些引用发生变化的对象的标记。

比如，一个对象在第一次被判断为了“死亡”，之后用户线程又重新与它建立了引用关系，那么第二次会将它修改为“存活”。

注意：未被“初始标记”阶段标记的对象，在“重新标记”阶段不会被标记为垃圾对象。

这个阶段的停顿时间一般会比初始阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短。

由于整个过程中耗时最长的“并发标记”和“并发清除”过程，收集器线程都可以与用户线程一起工作。所以从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

优点：并发收集、低停顿

2、CMS的并发带来的问题

在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是占用了一部分CPU的运行资源，导致应用程序变慢了，降低总吞吐量。

CMS默认启动的回收线程数是（处理器核心数 + 3）/4。当处理器核心不足4个时，CMS对用户程序的影响较大。

3、CMS的触发时机

CMS收集器不能像其他收集器那样，等待老年代几乎满了才进行收集。这是因为CMS需要预留足够的内存给用户线程使用。

默认的策略是，老年代使用了68%的空间后，就会开始回收。

• 如果策略的阈值设置得较低，那么垃圾回收就会更频繁，影响性能
• 如果策略的阈值设置得过高，如果CMS预留的内存无法满足程序分配新对象的需要，JVM就会启动应急预案：冻结用户线程的执行，临时启用Serial Old来重新对老年代进行垃圾回收，这样停顿时间就变得很长。

4、CMS的缺陷

• CMS收集器对处理器资源非常敏感，因为虽然不会停止用户线程，但是会和用户线程一起竞争处理器资源，导致用户线程执行变慢
• CMS无法处理“浮动垃圾”，可能导致这次GC没有产生足够的空间，不得不触发一次Full GC
• CMS是基于标记-清除算法，会产生大量的空间碎片。如果影响到对象分配，就不得不触发一次Full GC来整理内存。
• 如果在CMS运行过程中，用户线程突然产生了大量的垃圾，JVM就会紧急暂停用户线程，使用Serial Old来重新对老年代进行垃圾回收

什么是浮动垃圾

在“初始标记”第一次判断时，该对象不是垃圾。但到“重新标记”第二次判断的期间，这个对象变为了垃圾，那么本次垃圾回收就无法处理它，只能等到下一次GC时才有机会将它回收，这种对象就是浮动垃圾。

5、为什么CMS用清除算法

因为CMS考虑的是，尽量减少垃圾收集让用户线程停顿的时间，但是工作量无法减少，那么就考虑在某些阶段，让用户线程和垃圾收集并发执行。

正因如此，在用户线程正常执行时，CMS不能去擅自修改任何对象的地址，否则会导致用户线程无法定位到对象。

复制算法和整理算法都需要改变对象的内存地址，所以不适合。

7、G1

G1是一款面向服务器的高性能垃圾收集器，主要针对具有多核处理器和大内存的机器。

JDK 1.9时，G1作为了默认的垃圾收集器，同时CMS被标记为“不推荐使用”。

G1在以极高概率满足 GC 停顿时间要求的同时，还具备高吞吐量性能特征。

1、Region

G1堆内存的布局和其他收集器不同。

G1不再进行固定大小以及固定数量的分代区域划分，而是把连续的Java堆划分成多个大小相等的独立区域（Region）。

region 的大小是一致的，数值是在 1M 到 32M 字节之间的一个 2 的幂值数，JVM 会尽量划分 2048 个左右的 region。

每个Region都可以根据需要，扮演Eden、Survivor或者老年代空间。

G1可以对扮演不同角色的Region采用不同的收集策略，这样无论是新创建的对象，还是年龄较大的对象，都能获得很好的收集效果。

Region中还有一类特殊的Humongous区域，专门存储大对象。

如果一个对象超过Region容量的50%，它就会被存放在N个连续的Humongous Region中，G1的大多数行为都会把它当做老年代的一部分来看待。

由于堆内存被零散拆分了，所以需要维护一个空闲列表，来记录所有可用的region。

2、设计Region的意义

G1中依然存在新生代、老年代的概念，但它们不是连续的，而是一系列Region的动态集合。

G1能建立起可预测的停顿时间模型的基础，就是选择将Region作为单次回收的最小单元。

具体的做法是，它会根据各个Region里面的垃圾堆积的“价值”，维护一个优先级列表。价值包括两个方面：

• 回收后能获得的空间大小
• 回收所需的时间

每次垃圾回收时，根据用户指定的允许停顿时间，优先回收那些价值大的Region，保证了有限时间内的较高效率。

相当于垃圾回收的思路转变了：

• 之前是优先回收新生代，因为新生代往往能获得较大的内存，新生代回收完还不够才会去全堆收集
• 现在是，优先回收那些回收价值大的内存，这是一个主动的行为，所以效率就比之前高很多，因为更有针对性。

3、G1的三种模式

Young GC

当所有eden region被耗尽无法申请内存时，就会触发一次young gc。会暂停用户线程，发起多个垃圾回收线程。

存活的对象会被拷贝到survivor region，或者晋升到old region中。被清理的region会被放入空闲列表中，等待下次被使用

Mixed GC

之前的所有垃圾收集器，都是要么针对新生代，要么针对老年代，要么针对整堆进行垃圾回收的。

当越来越多的对象晋升到old region中，达到设定的阈值后，就会触发一次Mixed GC，回收掉高价值的目标

Full GC

如果对象内存分配速度过快，mixed gc来不及回收，导致老年代被填满，就会触发一次full gc

G1的full gc算法就是单线程执行的serial old gc，会导致用户线程被长时间暂停，所以需要避免Full GC。

4、Mixed GC的运行过程

• 初始标记：

  • stop the world，标记一下GC Roots能直接关联到的对象
  • 并且修改TAMS指针的值，让下一阶段的用户线程能正确在可用的空间分配新对象

• 并发标记：从GC Roots出发，对堆中对象进行可达性分析。和用户线程一起并发执行（只有并发标记阶段能和用户线程并发执行）

• 最终标记：stop the world，处理并发阶段结束后遗留的STAB记录

• 筛选回收：

  • 根据用户设定的时间停顿用户线程，因为涉及到对象地址的修改。
  • 对Region的价值进行排序，根据用户期望的停顿时间制定回收计划，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，清理掉旧Region的全部空间。

5、Card Table

在传统垃圾回收中遇到的跨代引用问题，G1中也同样存在。

由于G1把整个堆拆成了很多个region，所以每个region的不同对象之间是有互相引用的依赖关系的，而且同代引用也会发生在不同region之间。

如果进行回收之前需要遍历所有region来做到准确的垃圾回收，效率极低。

G1也是采用了Remember Set记忆集的思路，做了一个Card Table。

卡表中存放了各个Region之间的引用关系，这样就可以只去扫描相关的Region，不需要全体扫描。

6、三色标记法

G1和CMS一样，在并发标记阶段使用了三色标记法：

漏标问题

正常的引用关系是：

• 一个对象扫描完成，作为灰色节点
• 扫描该对象的成员变量，也就是和它有引用关系的其他对象，扫描完成后，之前的对象变为黑色节点
• 还没有被扫描的对象，作为白色节点
• 如果在并发标记阶段，用户线程把灰色节点和白色节点之间的引用删除，此时扫描灰色节点的成员变量时就不会扫描到该白色节点，它会被视为垃圾
• 但是白色节点和黑色节点产生了引用，那么这个引用是无法被现有的扫描方式所察觉的，就会造成本来存在引用关系的节点被漏标的问题。

CMS和G1如何解决漏标问题

产生漏标问题的条件有两个：

• 黑色对象指向了白色对象 （关注引用的增加）
• 灰色对象指向白色对象的引用消失 （关注引用的删除）

所以要解决漏标问题，打破两个条件之一即可。

• CMS的做法是：
  • 并发标记过程中，使用“增量更新”机制，如果产生了新的引用，就把该黑色节点标记为灰色，之后还会重新扫描，获得最新的引用关系
  • 并发标记完成后，要回收的对象就不会再增加了
  • 并发标记完成后触发二次停顿，把这些重新建立引用关系的对象移出回收范围
  • 并发标记过程中产生的新垃圾不会被回收。
• G1的做法是：
  • 会记录在并发标记阶段产生的新垃圾，然后在最终标记阶段，把这些垃圾也计入回收范围。
  • 当灰–>白消失时，要把这个 引用 推到GC的堆栈，保证白还能被GC扫描到。

为什么G1不使用增量更新机制

因为如果把黑色节点标记为灰色节点，之后还要二次查找，效率低。

G1保存了卡表，里面存放了各个Region之间的引用关系。

7、STAB

G1使用原始快照（STAB）算法来解决，Snapshot-At-The-Beginning。

具体做法是：

• 在GC开始之前，创建一个对象快照。
• 在并发标记时所有快照中当时的存活对象就认为是存活的，标记过程中新分配的对象也会被标记为存活对象，不会被回收。

要达到GC与用户线程并发运行，必须要解决回收过程中新对象的分配，所以G1为每一个Region区域设计了两个名为TAMS（Top at Mark Start）的指针，从Region区域划出一部分空间用于记录并发回收过程中的新对象。这样的对象认为它们是存活的，不纳入垃圾回收范围。

8、G1的特点

• 并行与并发：G1 能充分利用 CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个 CPU（CPU 或者 CPU 核心）来缩短 Stop-The-World 停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿 Java 线程执行的 GC 动作，G1 收集器仍然可以通过并发的方式让 java 程序继续执行。
• 分代收集：虽然 G1 可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个 GC 堆，但是还是保留了分代的概念。
• 空间整合：与 CMS 的“标记--清理”算法不同，G1 从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器，从局部（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的，所以不会产生内存碎片。
• 可预测的停顿：这是 G1 相对于 CMS 的另⼀个优势，降低停顿时间是 G1 和 CMS 共同 的关注点，但 G1 除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定允许的停顿时间。

8、JDK 默认垃圾收集器

jdk1.7 默认垃圾收集器：Parallel Scavenge（新生代）+Parallel Old（老年代）

jdk1.8 默认垃圾收集器：Parallel Scavenge（新生代）+Parallel Old（老年代）

jdk1.9 默认垃圾收集器：G1