Carson带你学JVM：常见的垃圾收集器学习指南

前言

• 垃圾收集器 是 垃圾收集算法 的具体实现
• 本文将对市面上常见的垃圾收集器类型进行讲解，希望你们会喜欢

Carson带你学JVM系列文章，具体如下：
Carson带你学JVM：这是一份全面 & 详细的JVM学习指南
Carson带你学JVM：图文解析Java虚拟机内存结构
Carson带你学JVM：Java对象的创建、内存布局 & 访问定位全过程解析
Carson带你学JVM：Java对象如何判断存活原则-引用计数法 & 引用链法
Carson带你学JVM：这是一份全面 & 详细的垃圾收集算法（GC）讲解攻略
Carson带你学JVM：常见的垃圾收集器学习指南
Carson带你学JVM：类加载的全过程解析
Carson带你学JVM：你真的了解类加载器吗？（含双亲委派模型）
Carson带你学JVM：方法分派模型-静态分派、动态分派

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垃圾收集器类型

• 垃圾收集器 是 垃圾收集算法 的具体实现
• 现在主流的垃圾收集器有 7 种：

垃圾收集器 类别

• 我们会根据需求场景的不同，选择不同特点的垃圾收集器

下面我会详细介绍。

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1. Serial收集器

1.1 定义

最基本、发展历史最长的垃圾收集器

1.2 优点

• 并发收集
  在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程（Stop The World），直到收集结束。

暂停工作线程 是在用户不可见的情况下进行

注：并发 与 并行的区别
a. 并发：在 某一时段内，交替执行多个任务（即先处理A再处理B，循环该过程）
b. 并行：在 某一时刻内，同时执行多个任务（即同时处理A、B）

• 单线程
  只使用 一条线程 完成垃圾收集（GC线程）

• 效率高
  对于限定单CPU环境来说，Serial收集器没有线程交互开销（专一做垃圾收集），拥有更高的单线程收集效率。

垃圾收集高效，即其他工作线程停顿时间短（可控制在100ms内），只要垃圾收集发生的频率不高，完全可以接受。

1.3 使用的垃圾收集算法

复制 算法

1.4 应用场景

客户端模式下，虚拟机的 新生代区域

1.5 工作流程

工作线程

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2. Serial Old收集器

2.1 定义

Serial收集器 应用在老年代区域 的版本

2.2 优点

并发、单线程、效率高

同Serial收集器，此处不作过多描述

2.3 使用的垃圾收集算法

标记-整理 算法

2.4 应用场景

• 在客户端模式下，虚拟机的老年代区域
• 在服务器模式下：
  1. 与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用
  2. 作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用

2.5 工作流程

工作流程

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3. ParNew 收集器

3.1 定义

Serial收集器 的 多线程 版本。

3.2 优点

• 并发收集
  在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程（Stop The World），直到收集结束。

暂停工作线程 是在用户不可见的情况下进行

• 多线程收集
  使用 多条垃圾收集线程（GC线程） 完成垃圾收集

由于存在线程交互的开销，所以在单CPU环境下，性能差于 Serial收集器

• 与CMS收集器配合工作
  目前，只有ParNew 收集器能与 CMS收集器 配合工作

1. 由于CMS收集器使用广泛，所以该特点非常重要。
2. 关于CMS收集器 下面会详细说明

3.3 使用的垃圾收集算法

复制 算法

3.4 应用场景

服务器模式下，虚拟机的 新生代区域

多线程收集

3.5 工作流程

工作线程

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4. Parallel Scavenge收集器

4.1 定义

ParNew 收集器的升级版

4.2 特点

• 具备ParNew 收集器并发、多线程收集的特点

• 以达到 可控制吞吐量 为目标
  其他收集器的目标是： 尽可能缩短 垃圾收集时间，而Parallel Scavenge收集器的目标则是：达到 可控制吞吐量

1. 吞吐量：CPU用于运行用户代码的时间 与 CPU总消耗时间（运行用户代码时间+垃圾收集时间）的比值
2. 如：虚拟机总共运行100分钟，其中垃圾收集时间=1分钟、运行用户代码时间 = 99分钟，那吞吐量 = 99 / 100 = 99%

• 自适应
  该垃圾收集器能根据当前系统运行情况，动态调整自身参数，从而达到最大吞吐量的目标。

1. 该特性称为：GC 自适应的调节策略
2. 这是Parallel Scavenge收集器与 ParNew 收集器 最大的区别

4.3 使用的垃圾收集算法

复制 算法

4.4 应用场景

服务器模式下，虚拟机的 新生代区域

4.5 工作流程

工作流程

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5. Parallel Old收集器

5.1 定义

Parallel Scavenge收集器 应用在老年代区域 的版本

5.2 特点

以达到 可控制吞吐量 为目标、自适应调节、多线程收集

同Parallel Scavenge收集器

5.3 使用的垃圾收集算法

标记-整理 算法

5.4 应用场景

服务器模式下，虚拟机的 老年代区域

5.5 工作流程

工作流程

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6. CMS收集器

6.1 定义

即Concurrent Mark Sweep，基于 标记-清除算法的收集器

6.2 特点

6.2.1 优点

• 并行
  用户线程 & 垃圾收集线程同时进行。

即在进行垃圾收集时，用户还能工作。

• 单线程收集
  只使用 一条线程 完成垃圾收集（GC线程）

• 垃圾收集停顿时间短
  该收集器的目标是： 获取最短回收停顿时间 ，即希望 系统停顿的时间 最短，提高响应速度

6.2.2 缺点

• 总吞吐量会降低
  因为该收集器对CPU资源非常敏感，在并发阶段，虽不会导致用户线程停顿，但会因为占用部分线程（CPU资源）而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低

• 无法处理浮动垃圾
  由于 并发清理时 用户线程还在运行，所以会有新的垃圾不断产生（即浮动垃圾），只能等到留待下一次GC时再清理掉。

1. 因为这一部分垃圾出现在标记过程之后，所以CMS无法在当次GC中处理掉它们
2. 因此，CMS无法等到老年代被填满再进行Full GC，CMS需要预留一部分空间。即所谓的：可能出现Concurrent Mode Failure失败而导致另一次Full GC产生。

• 垃圾收集后会产生大量内存空间碎片
  因为 CMS收集器是基于“标记-清除”算法的。

6.3 使用的垃圾收集算法

标记-清除 算法

6.4 应用场景

重视应用的响应速度、希望系统停顿时间最短的场景

如互联网移动端应用

6.5 工作流程

• CMS 收集器 是基于 标记-清除算法实现的收集器，工作流程较为复杂：（分为四个步骤）

  1. 初始标记
  2. 并发标记
  3. 重新标记
  4. 并发清除

示意图

• 下面用一张图详细说明工作流程：

示意图

• 由于整个过程中，耗时最长的并发标记 和 并发清除过程都可与用户线程一起进行
• 所以，CMS收集器的垃圾收集过程可看作是与用户线程 并发执行的。

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7. G1 收集器

7.1 定义

最新、技术最前沿的垃圾收集器

7.2 特点

• 并行
  用户线程 & 垃圾收集线程同时进行。

即在进行垃圾收集时，用户还能工作

• 多线程
  即使用 多条垃圾收集线程（GC线程） 进行垃圾收集

并发 & 并行 充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势 来缩短 垃圾收集的停顿时间

• 垃圾回收效率高
  G1 收集器是 针对性 对 Java堆内存区域进行垃圾收集，而非每次都对整个 Java 堆内存区域进行垃圾收集。

1. 即 G1收集器除了将 Java 堆内存区域分为新生代 & 老年代之外，还会细分为许多个大小相等的独立区域（ Region），然后G1收集器会跟踪每个 Region里的垃圾价值大小，并在后台维护一个列表；每次回收时，会根据允许的垃圾收集时间 优先回收价值最大的Region，从而避免了对整个Java堆内存区域进行垃圾收集，从而提高效率。
2. 因为上述机制，G1收集器还能建立可预测的停顿时间模型：即让 使用者 明确指定一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得从超出N毫秒。即具备实时性

• 分代收集
  同时应用在 内存区域的新生代 & 老年代

• 不会产生内存空间碎片

  1. 从整体上看，G1 收集器是基于 标记-整理算法实现的收集器
  2. 从局部上看，是基于 复制算法 实现
     上述两种算法意味着 G1 收集器不会产生内存空间碎片。

7.3 使用的垃圾收集算法

• 对于新生代：复制算法
• 对于老年代：标记 - 整理算法

7.4 应用场景

服务器端虚拟机的内存区域（包括 新生代 & 老年代）

7.5 工作流程

• G1 收集器的工作流程分为4个步骤：
  1. 初始标记
  2. 并发标记
  3. 最终标记
  4. 筛选回收

示意图

• 下面用一张图详细说明工作流程

示意图

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8. 总结

• 本文对垃圾收集器的类型进行全面讲解

示意图

• 接下来我会对Java虚拟机（JVM）进行详细的分析，欢迎关注Carson_Ho的，不定期分享关于安卓开发的干货，追求短、平、快，但却不缺深度。

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