JVM：（十六）垃圾回收器
文章目录
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- 16.1 GC分类和性能指标
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- 16.1.1 垃圾收集器分类
- 16.1.2 评估GC的性能指标
- 16.2 垃圾回收器概述
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- 16.2.1 垃圾回收器发展史
- 16.2.2 7种经典的垃圾回收器
- 16.2.3 7款经典收集器与垃圾分代之间的关系
- 16.2.4 垃圾收集器的组合关系
- 16.2.5 不同的垃圾收集器存在的必要性
- 16.2.6 如何查看默认垃圾收集器
- 16.3 Serial GC：串行回收
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- 16.3.1 Serial GC基本概述
- 16.3.2 优缺点
- 16.4 ParNew GC：并行回收
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- 16.4.1 ParNew GC概述
- 16.4.2 优缺点
- 16.5 Parallel Scavenge GC：吞吐量优先
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- 16.5.1 Parallel Scavenge GC概述
- 16.5.2 相关参数
- 16.6 CMS GC：低延迟
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- 16.6.1 CMS GC概述
- 16.6.2 优缺点
- 16.6.3 相关参数
- 小结
- 16.7 G1 GC：区域化分代收集
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- 16.7.1G1 GC概述
- 16.7.2 优缺点
- 16.7.3 相关参数
- 16.7.4 G1收集器的常见操作步骤
- 16.7.5 G1收集器的适用场景
- 16.7.6 分区Region：化整为零
- 16.7.7 G1垃圾回收器的回收过程
- 16.7.8 记忆集 Remembered Set
- 16.7.9 G1回收过程之：年轻代GC
- 16.7.10 G1回收过程之：并发标记
- 16.7.11 G1回收过程之：混合回收
- 16.7.12 G1回收可选的过程：Full GC
- 16.8 垃圾回收器总结
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- 16.8.1 7种经典垃圾回收器总结
- 16.8.2 垃圾回收器组合
- 16.8.3 怎么选择垃圾回收器
- 16.9 GC 日志分析
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- 16.9.1 GC日志分析相关参数
- 16.9.2 Minor GC日志
- 16.9.3 Full GC日志
- 16.10 垃圾回收器的新发展
16.1 GC分类和性能指标
16.1.1 垃圾收集器分类
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按线程数分，可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。
串行回收指的是在同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束。
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在诸如单CPU处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合，串行回收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。所以，串行回收默认被应用在客户端的Client模式下的JVM中
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在并发能力比较强的CPU上，并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器。
并行收集可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用了“Stop-the-World”机制。
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按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。
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并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间。
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独占式垃圾回收器（Stop the world）一旦运行，就停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。
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按碎片处理方式分，可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。
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压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片。
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非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。
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按工作的内存区间分，又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。
16.1.2 评估GC的性能指标
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吞吐量：运行用户代码的时间占总运行时间的比例（总运行时间 = 程序的运行时间 + 内存回收的时间）
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垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
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暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间。
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收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
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内存占用：Java堆区所占的内存大小。
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快速：一个对象从诞生到被回收所经历的时间。
吞吐量、暂停时间、内存占用 这三者共同构成一个“不可能三角”。三者总体的表现会随着技术进步而越来越好。一款优秀的收集器通常最多同时满足其中的两项。
这三项里，暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展，内存占用多些越来越能容忍，硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响，即提高了吞吐量。而内存的扩大，对延迟反而带来负面效果。
简单来说，主要抓住两点：吞吐量、暂停时间
吞吐量
吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间+垃圾收集时间）。比如：虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。
这种情况下，应用程序能容忍较高的暂停时间，因此，高吞吐量的应用程序有更长的时间基准，快速响应是不必考虑的
吞吐量优先，意味着在单位时间内，STW的时间最短：0.2 + 0.2 = 0.4
暂停时间
暂停时间是指一个时间段内应用程序线程暂停，让GC线程执行的状态。
例如，GC期间100毫秒的暂停时间意味着在这100毫秒期间内没有应用程序线程是活动的。
暂停时间优先，意味着尽可能让单次STW的时间最短：0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 = 0.5
吞吐量 vs 暂停时间
高吞吐量应用程序线程有更高的时间“生产性”工作。直觉上，吞吐量越高程序运行越快。
低暂停时间（低延迟）较好因为从最终用户的角度来看不管是GC还是其他原因导致一个应用被挂起始终是不好的。这取决于应用程序的类型，有时候甚至短暂的200毫秒暂停都可能打断终端用户体验。因此，具有低的较大暂停时间是非常重要的，特别是对于一个交互式应用程序。
不幸的是”高吞吐量”和”低暂停时间”是一对相互竞争的目标（矛盾），垃圾回收总时间=垃圾回收线程工作时间+切换线程时间+其他。
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因为如果选择以吞吐量优先，那么必然需要降低内存回收的执行频率，但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收。
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如果选择以低延迟优先为原则，那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间，回收的次数必然会增加，与此同时，线程之间切换的开销也会增加，这无疑增加了垃圾回收的时间成本，造成吞吐量的下降。
在设计（或使用）GC算法时，我们必须确定我们的目标：一个GC算法只可能针对两个目标之一（即只专注于较大吞吐量或最小暂停时间），或尝试找到一个二者的折衷。
现在标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间
16.2 垃圾回收器概述
16.2.1 垃圾回收器发展史
有了虚拟机，就一定需要收集垃圾的机制，这就是Garbage Collection，对应的产品我们称为Garbage Collector。
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1999年随JDK1.3.1一起来的是串行方式的serialGc，它是第一款GC。ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多线程版本
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2002年2月26日，Parallel GC和Concurrent Mark Sweep GC跟随JDK1.4.2一起发布·
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Parallel GC在JDK6之后成为HotSpot默认GC。
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2012年，在JDK1.7u4版本中，G1可用。
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2017年，JDK9中G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。
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2018年3月，JDK10中G1垃圾回收器的并行完整垃圾回收，实现并行性来改善最坏情况下的延迟。
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2018年9月，JDK11发布。引入Epsilon 垃圾回收器，又被称为 "No-Op(无操作)“ 回收器。同时，引入ZGC：可伸缩的低延迟垃圾回收器（Experimental）
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2019年3月，JDK12发布。增强G1，自动返回未用堆内存给操作系统。同时，引入Shenandoah GC：低停顿时间的GC（Experimental）。·
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2019年9月，JDK13发布。增强ZGC，自动返回未用堆内存给操作系统。
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2020年3月，JDK14发布。删除CMS垃圾回收器。扩展ZGC在macos和Windows上的应用
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2020年9月，JDK15发布。将ZGC从实验特性改为生产特性，ZGC正式投入生产。默认垃圾回收器依然是G1。
16.2.2 7种经典的垃圾回收器
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串行回收器：Serial、Serial Old
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并行回收器：ParNew、Parallel Scavenge、Parallel old
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并发回收器：CMS、G1
16.2.3 7款经典收集器与垃圾分代之间的关系
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新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge；
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老年代收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS；
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整堆收集器：G1；
16.2.4 垃圾收集器的组合关系
- 两个收集器间有连线，表明它们可以搭配使用：Serial/Serial Old、Serial/CMS、ParNew/Serial Old、ParNew/CMS、Parallel Scavenge/Serial Old、Parallel Scavenge/Parallel Old、G1；
- 其中Serial Old作为CMS出现
Concurrent Mode Failure失败的后备预案。 - （红色虚线）由于维护和兼容性测试的成本，在JDK 8时将Serial+CMS、ParNew+Serial Old这两个组合声明为废弃（JEP173），并在JDK9中完全取消了这些组合的支持（JEP214），即：移除。
- （绿色虚线）JDK14中：弃用Parallel Scavenge和Serialold GC组合（JEP366）
- （绿色虚框）JDK14中：删除CMS垃圾回收器（JEP363）
16.2.5 不同的垃圾收集器存在的必要性
为什么要有很多收集器，一个不够吗？因为Java的使用场景很多，移动端，服务器等。所以就需要针对不同的场景，提供不同的垃圾收集器，提高垃圾收集的性能。
虽然我们会对各个收集器进行比较，但并非为了挑选一个最好的收集器出来。没有一种放之四海皆准、任何场景下都适用的完美收集器存在，更加没有万能的收集器。所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器。
16.2.6 如何查看默认垃圾收集器
-XX:+PrintCommandLineFlags：查看命令行相关参数（包含使用的垃圾收集器）
使用命令行指令：jinfo -flag 相关垃圾回收器参数 进程ID
16.3 Serial GC：串行回收
16.3.1 Serial GC基本概述
Serial收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代唯一的选择。
Serial收集器作为HotSpot中client模式下的默认新生代垃圾收集器。
Serial收集器采用复制算法、串行回收和"stop-the-World"机制的方式执行内存回收。
除了年轻代之外，Serial收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial Old收集器。Serial Old收集器同样也采用了串行回收和"Stop the World"机制，只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算法。
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Serial old是运行在Client模式下默认的老年代的垃圾回收器
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Serial 0ld在Server模式下主要有两个用途：① 与新生代的Parallel scavenge配合使用 ② 作为老年代CMS收集器的后备垃圾收集方案
16.3.2 优缺点
优点：
简单而高效（与其他收集器的单线程比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。运行在Client模式下的虚拟机是个不错的选择。
缺点：
限定单核cpu才可以用。
对于交互较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能接受的。
16.4 ParNew GC：并行回收
16.4.1 ParNew GC概述
ParNew收集器则是Serial收集器的多线程版本。Par是Parallel的缩写，New：只能处理的是新生代
ParNew 收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、"Stop-the-World"机制。ParNew GC一般搭配Serial Old GC一起使用，还能搭配CMS收集器仪器使用。
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对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。
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对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。（CPU并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源）
16.4.2 优缺点
优点：ParNew 收集器运行在多CPU的环境下，由于可以充分利用多CPU、多核心等物理硬件资源优势，可以更快速地完成垃圾收集，提升程序的吞吐量。
缺点：在单个CPU的环境下，ParNew收集器不比Serial 收集器更高效。虽然Serial收集器是基于串行回收，但是由于CPU不需要频繁地做任务切换，因此可以有效避免多线程交互过程中产生的一些额外开销。
16.5 Parallel Scavenge GC：吞吐量优先
16.5.1 Parallel Scavenge GC概述
Parallel Scavenge GC同样也采用了复制算法、并行回收和"Stop the World"机制，与ParNew GC基本一致，那么为什么Parallel Scavenge GC还要出现？
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和ParNew收集器不同，ParallelScavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput），它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
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自适应调节策略也是Parallel Scavenge与ParNew一个重要区别。
高吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。因此，常见在服务器环境中使用。例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序。
Parallel 收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallel Old收集器，用来代替老年代的Serial Old收集器。Parallel Old收集器采用了标记-压缩算法，但同样也是基于并行回收和"Stop-the-World"机制。
在程序吞吐量优先的应用场景中，Parallel 收集器和Parallel Old收集器的组合，在Server模式下的内存回收性能很不错。在Java8中，默认是此垃圾收集器。
16.5.2 相关参数
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-XX:+UseParallelGC手动指定年轻代使用Parallel并行收集器执行内存回收任务。 -
-XX:+UseParallelOldGC手动指定老年代都是使用并行回收收集器。 -
- 分别适用于新生代和老年代。默认jdk8是开启的。
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- 上面两个参数，默认开启一个，另一个也会被开启。（互相激活）
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-XX:ParallelGCThreads设置年轻代并行收集器的线程数。一般地，最好与CPU数量相等，以避免过多的线程数影响垃圾收集性能。
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-XX:MaxGCPauseMillis设置垃圾收集器最大停顿时间（即STw的时间），单位是毫秒。 -
-XX:GCTimeRatio垃圾收集时间占总时间的比例（=1/（N+1））。用于衡量吞吐量的大小。 -
-XX:+UseAdaptivesizePolicy设置Parallel Scavenge收集器具有自适应调节策略 -
- 在这种模式下，年轻代的大小、Eden和Survivor的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整，已达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。
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- 在手动调优比较困难的场合，可以直接使用这种自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量（
GCTimeRatio）和停顿时间（MaxGCPauseMills），让虚拟机自己完成调优工作。
- 在手动调优比较困难的场合，可以直接使用这种自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量（
16.6 CMS GC：低延迟
16.6.1 CMS GC概述
CMS（Concurrent-Mark-Sweep）的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时间越短（低延迟）就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作。
CMS的垃圾收集算法采用标记-清除算法，并且也会"Stop-the-World"
CMS整个过程比之前的收集器要复杂，整个过程分为4个主要阶段，即初始标记阶段、并发标记阶段、重新标记阶段和并发清除阶段:
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初始标记（Initial-Mark）阶段：在这个阶段会出现“Stop-the-World”机制，这个阶段的主要任务仅仅只是标记出GCRoots能直接关联到的对象。由于直接关联对象比较小，所以这里的速度非常快。
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并发标记（Concurrent-Mark）阶段：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。
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重新标记（Remark）阶段：此阶段会出现STW，主要用于修正并发标记期间，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，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。
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并发清除（Concurrent-Sweep）阶段：此阶段清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，释放内存空间。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
尽管CMS收集器采用的是并发回收（非独占式），但是在其初始化标记和再次标记这两个阶段中仍然需要执行“Stop-the-World”机制暂停程序中的工作线程。由于最耗费时间的并发标记与并发清除阶段都不需要暂停工作，所以整体的回收是低停顿的。
另外，由于在垃圾收集阶段用户线程没有中断，所以在CMS回收过程中，还应该确保应用程序用户线程有足够的内存可用。因此，CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，而是当堆内存使用率达到某一阈值时，便开始进行回收。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现Concurrent Mode Failure 失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。
16.6.2 优缺点
优点：
- 并发收集，非独占式
- 低延时，低停顿，用户体验较好
缺点：
- 使用标记清除算法，会产生内存碎片。
- 无法处理浮动垃圾。浮动垃圾就是垃圾并发标记阶段产生的新垃圾，CMS无法对这种垃圾进行标记和回收。
- 可能会产生Concurrent Mode Failure，导致产生Full GC。
- 对CPU资源敏感。因为垃圾回收线程要与用户线程争夺CPU资源，可能会导致用户线程变慢，从而降低吞吐量。
16.6.3 相关参数
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-XX:+UseConcMarkSweepGC手动指定使用CMS收集器执行内存回收任务。开启该参数后会自动将-xx:+UseParNewGC打开。。 -
-XX:CMSInitiatingOccupanyFraction设置堆内存使用率的阈值，一旦达到该阈值，便开始进行回收。 -
- JDK5及以前版本的默认值为68，即当老年代的空间使用率达到68%时，会执行一次CMS回收。JDK6及以上版本默认值为92%
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-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection用于指定在执行完Full GC后对内存空间进行压缩整理，以此避免内存碎片的产生。不过由于内存压缩整理过程无法并发执行，所带来的问题就是停顿时间变得更长了。 -
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction设置在执行多少次Full GC后对内存空间进行压缩整理。 -
-XX:ParallelcMSThreads设置CMS的线程数量。 -
- CMS默认启动的线程数是（ParallelGCThreads+3）/4，ParallelGCThreads是年轻代并行收集器的线程数。当CPU资源比较紧张时，受到CMS收集器线程的影响，应用程序的性能在垃圾回收阶段可能会非常糟糕。
小结
HotSpot有这么多的垃圾回收器，那么如果有人问，Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC有什么不同呢？
请记住以下口令：
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如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选Serial GC；
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如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel GC；
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如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS GC。
16.7 G1 GC：区域化分代收集
16.7.1G1 GC概述
应用程序所应对的业务越来越复杂，内存容量和处理器数量日益增大，没有GC就不能保证应用程序正常进行，而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。G1（Garbage-First）垃圾回收器是在Java7 update4之后引入的一个新的垃圾回收器，是当今收集器技术发展的最前沿成果之一。
官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。
G1的特点可以从名称中分析出来。G1是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域（Region）（物理上不连续的）。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等。G1 GC避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集，取而代之的是跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间（Region），故而称垃圾优先（Garbage First）。G1是JDK9以后的默认垃圾回收器。
16.7.2 优缺点
优点：
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并行性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程STW
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并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况
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分代收集：能够同时回收年轻代和老年代
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空间整合：G1将内存划分为一个个的region。内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩（Mark-Compact）算法，两种算法都可以避免内存碎片。
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可预测的停顿时间模型（即：软实时soft real-time）：每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。
缺点：
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在用户程序运行过程中，G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用（Footprint）还是程序运行时的额外执行负载（Overload）都要比CMS要高。
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在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在6-8GB之间。
16.7.3 相关参数
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-XX:+UseG1GC：手动指定使用G1垃圾收集器执行内存回收任务 -
-XX:G1HeapRegionSize设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB之间，目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。 -
-XX:MaxGCPauseMillis设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到）。默认值是200ms（人的平均反应速度） -
-XX:+ParallelGCThread设置STW工作线程数的值。最多设置为8（上面说过Parallel回收器的线程计算公式，当CPU_Count > 8时，ParallelGCThreads 也会大于8） -
-XX:ConcGCThreads设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGCThreads）的1/4左右。 -
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent设置触发并发GC周期的Java堆占用率阈值。超过此值，就触发GC。默认值是45。
16.7.4 G1收集器的常见操作步骤
G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：
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第一步：开启G1垃圾收集器
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第二步：设置堆的最大内存
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第三步：设置最大的停顿时间
G1中提供了三种垃圾回收模式：Young GC、Mixed GC和Full GC，在不同的条件下被触发。
16.7.5 G1收集器的适用场景
面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。（在普通大小的堆里表现并不惊喜）
在下面的情况时，使用G1可能比CMS好：
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超过50%的Java堆被活动数据占用；
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对象分配频率或年代提升频率变化很大；
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GC停顿时间过长（长于0.5至1秒）
HotSpot垃圾收集器里，除了G1以外，其他的垃圾收集器使用内置的JVM线程执行GC的多线程操作，而G1 GC可以采用应用线程承担后台运行的GC工作，即当JVM的GC线程处理速度慢时，系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。
16.7.6 分区Region：化整为零
使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB，2MB，4MB，8MB，16MB，32MB。可以通过-XX:G1HeapRegionSize设定。所有的Region大小相同，且在JVM生命周期内不会被改变。
虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑上的连续。
一个region在使用过程中不可发生角色变换，但在垃圾回收清除之后，会成为空白region，此时若在使用此region，可以发生角色变换。图中的E表示该region属于Eden内存区域，S表示属于survivor内存区域，O表示属于Old内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。G1垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过1.5个region，就放到H。
16.7.7 G1垃圾回收器的回收过程
G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：
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年轻代GC（Young GC）
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老年代并发标记过程（Concurrent Marking）
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混合回收（Mixed GC）
当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程。G1的年轻代收集阶段是一个并行的独占式收集器。
当堆内存使用达到一定值（默认45%）时，开始老年代并发标记过程。标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期，G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region。老年代Region是和年轻代一起被回收的。
举个例子：一个Web服务器，Java进程最大堆内存为4G，每分钟响应1500个请求，每45秒钟会新分配大约2G的内存。G1会每45秒钟进行一次年轻代回收，每31个小时整个堆的使用率会达到45%，会开始老年代并发标记过程，标记完成后开始四到五次的混合回收。
16.7.8 记忆集 Remembered Set
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一个对象被不同区域引用的问题
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一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确？
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在其他的分代收集器，也存在这样的问题（而G1更突出）回收新生代也不得不同时扫描老年代？
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这样的话会降低MinorGC的效率；
解决方法：
无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描：
每个Region都有一个对应的Remembered Set；每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier暂时中断操作；然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region（其他收集器：检查老年代对象是否引用了新生代对象）；如果不同，通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中；当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set；就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏
16.7.9 G1回收过程之：年轻代GC
当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年轻代垃圾回收过程。年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区。
回收过程：
- 第一阶段，扫描根。根是指static变量指向的对象，正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。
- 第二阶段，更新RSet。处理dirty card queue中的card，更新RSet。此阶段完成后，RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。RSet是公共资源，使用脏卡表dirty card queue是为了避免线程同步带来的问题。
- 第三阶段，处理RSet。识别被老年代对象指向的Eden中的对象，这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。
- 第四阶段，复制对象。Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段，根据年龄阈值或对象大小决定是否晋升老年代。
- 第五阶段，处理引用。处理Soft，Weak，Phantom等引用。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，而目标内存中的对象都是连续存储的，没有碎片，所以复制过程可以达到内存整理的效果，减少碎片。
16.7.10 G1回收过程之：并发标记
- 初始标记阶段：标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW的，并且会触发一次年轻代GC。
- 根区域扫描（Root Region Scanning）：G1 GC扫描Survivor区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。
- 并发标记（Concurrent Marking）：在整个堆中进行并发标记（和应用程序并发执行），此过程可能被YoungGC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性。
- 再次标记（Remark）：由于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果。是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法：snapshot-at-the-beginning（SATB）。
- 独占清理（cleanup，STW）：计算各个区域的存活对象和GC回收比例，并进行排序，识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是STW的。这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集
- 并发清理阶段：识别并清理完全空闲的区域。
16.7.11 G1回收过程之：混合回收
当越来越多的对象晋升到老年代Old region时，为了避免堆内存被耗尽，会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个Old GC，除了回收整个Young Region，还会回收一部分的Old Region。这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代。可以选择哪些Old Region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC并不是Full GC。
并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下，这些老年代的内存分段会分8次（可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置）被回收，但也不是绝对的，当内存占用低于某个阈值，则不会再执行Mixed GC。Mixed GC的算法和年轻代GC的算法完全一样。
16.7.12 G1回收可选的过程：Full GC
G1的初衷就是要避免Full GC的出现。但是如果上述方式不能正常工作，G1会停止应用程序的执行（Stop-The-World），使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。
要避免Full GC的发生，一旦发生需要进行调整。什么时候会发生Full GC呢？比如堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到Full GC，这种情况可以通过增大内存解决。
导致G1 Full GC的原因可能有两个：
-
复制对象的时候没有足够的to-space来存放晋升的对象；
-
并发过程中空间耗尽，用户线程无法分配内存。
16.8 垃圾回收器总结
16.8.1 7种经典垃圾回收器总结
截止JDK1.8，一共有7款不同的垃圾收集器。每一款的垃圾收集器都有不同的特点，在具体使用的时候，需要根据具体的情况选用不同的垃圾收集器。
| 垃圾收集器 | 分类 | 作用位置 | 使用算法 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| Serial | 串行运行 | 作用于新生代 | 复制算法 | 响应速度优先 | 适用于单CPU环境下的client模式 |
| ParNew | 并行运行 | 作用于新生代 | 复制算法 | 响应速度优先 | 多CPU环境Server模式下与CMS配合使用 |
| Parallel | 并行运行 | 作用于新生代 | 复制算法 | 吞吐量优先 | 适用于后台运算而不需要太多交互的场景 |
| Serial Old | 串行运行 | 作用于老年代 | 标记-压缩算法 | 响应速度优先 | 适用于单CPU环境下的Client模式 |
| Parallel Old | 并行运行 | 作用于老年代 | 标记-压缩算法 | 吞吐量优先 | 适用于后台运算而不需要太多交互的场景 |
| CMS | 并发运行 | 作用于老年代 | 标记-清除算法 | 响应速度优先 | 适用于互联网或B／S业务 |
| G1 | 并发、并行运行 | 作用于新生代、老年代 | 标记-压缩算法、复制算法 | 响应速度优先 | 面向服务端应用 |
GC发展阶段：Serial => Parallel（并行）=> CMS（并发）=> G1 => ZGC
16.8.2 垃圾回收器组合
- 两个收集器间有连线，表明它们可以搭配使用：Serial + Serial Old、Serial + CMS、ParNew + Serial Old、ParNew + CMS、Parallel Scavenge + Serial Old、Parallel Scavenge + Parallel Old、G1;
- 其中Serial Old作为CMS出现
Concurrent Mode Failure失败的后备预案。 - （红色虚线）Serial＋CMS、ParNew＋Serial old这两个组合并在JDK 9中被移除。
- （绿色虚线）JDK 14中：弃用ParallelScavenge和SeriaOold GC组合(JEP 366)
- （绿色虚框）JDK 14中：删除CMS垃圾回收器（JEP 363）
最新的JDK 18中的四种GC或GC组合为：
- 串行GC（Serial + Serial Old）
- 并行 GC（Parallel Scavenge + Parallel Old）
- G1 GC
- ZGC
16.8.3 怎么选择垃圾回收器
- 优先调整堆的大小让JVM自适应完成。
- 如果内存小于100M，使用串行收集器
- 如果是单核、单机程序，并且没有停顿时间的要求，串行收集器
- 如果是多CPU、需要高吞吐量、允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选择
- 如果是多CPU、追求低停顿时间，需快速响应（比如延迟不能超过1秒，如互联网应用），使用并发收集器
官方推荐G1，性能高。现在互联网的项目，基本都是使用G1。
16.9 GC 日志分析
16.9.1 GC日志分析相关参数
-
-XX:+PrintGC输出GC日志。类似：-verbose:gc -
-XX:+PrintGCDetails输出GC的详细日志 -
-XX:+PrintGCTimestamps输出GC的时间戳（以基准时间的形式） -
-XX:+PrintGCDatestamps输出GcC的时间戳（以日期的形式，如2013-05-04T21：53：59.234+0800） -
-XX:+PrintHeapAtGC在进行GC的前后打印出堆的信息 -
-Xloggc:../logs/gc.log日志文件的输出路径
16.9.2 Minor GC日志
16.9.3 Full GC日志
16.10 垃圾回收器的新发展
GC仍然处于飞速发展之中，目前的默认选项G1 GC在不断的进行改进，很多我们原来认为的缺点，例如串行的Full GC、Card Table扫描的低效等，都已经被大幅改进。例如，JDK10以后，Full GC已经是并行运行，在很多场景下，其表现还略优于Parallel GC的并行Full GC实现。
即使是Serial GC，虽然比较古老，但是简单的设计和实现未必就是过时的，它本身的开销，不管是GC相关数据结构的开销，还是线程的开销，都是非常小的，所以随着云计算的兴起，在Serverless等新的应用场景下，Serial GC找到了新的舞台。
比较不幸的是CMS GC，因为其算法的理论缺陷等原因，虽然现在还有非常大的用户群体，但在JDK9中已经被标记为废弃，并在JDK14版本中移除。
令人震惊、革命性的ZGC
ZGC与Shenandoah目标高度相似，在尽可能对吞吐量影响不大的前提下，实现在任意堆内存大小下都可以把垃圾收集的停颇时间限制在十毫秒以内的低延迟。
《深入理解Java虚拟机》一书中这样定义ZGC：ZGC收集器是一款基于Region内存布局的，（暂时）不设分代的，使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-压缩算法的，以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。
ZGC的工作过程可以分为4个阶段：并发标记 - 并发预备重分配 - 并发重分配 - 并发重映射 等。
ZGC几乎在所有地方并发执行的，除了初始标记的是STW的。所以停顿时间几乎就耗费在初始标记上，这部分的实际时间是非常少的。
JDK15发布后，将ZGC从实验特性改为生产特性，ZGC正式投入生产。但直到目前的JDK 18，默认垃圾回收器依然是G1。