JVM 调优总结之垃圾回收算法以及垃圾收集器

素颜马尾好姑娘i 2021-09-18 04:52 498阅读 0赞

Java 的一大特点就是可以自动进行垃圾回收，不要开发人员去关心内存资源的释放情况。  
本章主要记录垃圾回收方法和 Hot Spot 虚拟机支持的垃圾回收器。

##### 垃圾回收要解决的问题 #####

*  那些对象需要被回收？
 *  何时回收这些对象？
 *  如何回收这些对象？

##### 如何判断那些对象需要被回收 #####

参考文章：[JVM 如何判断一个对象可被回收？][JVM]

##### 垃圾回收算法与思想 #####

1.  **标记-清除算法**  
    标记-清除将垃圾回收分为两个节点：标记阶段和清除阶段。在标记阶段，首先通过根节点（GC Root）标记从根节点开始的可达对象，未被标记的就是垃圾对象。在清除阶段将清除所有未被标记的对象。  
    **缺点：** 空间碎片  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
    如图所示，回收后的空间是不连续的。在对象的对空间分配过程中，尤其是大对象的内存分配，不连续的内存空间的工作效率要低于连续空间的工作效率。
2.  **复制算法**  
    核心思想：将原有的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在使用的内存中的存活对象复制到未使用的内存块中，之后，清除正在使用的内存块中的所有对象，交换内存的角色，完成垃圾回收。  
    **缺点：** 内存减半  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
    **在 Java 的新生代串行垃圾回收器中，使用了复制算法的思想。新生代分为 eden 、s0 和 s1 3部分。其中 s0 、s1 可以视为用于复制的两块大小相同，地位相等，且可进行角色互换的空间块。s0 和 s1 用于存放未被回收的对象。**  
    复制算法比较使用与新生代。因为新生代垃圾对象通常多于存活对象，复制算法的效果比较好。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]
3.  **标记-压缩算法**  
    复制算法适合在新生代中使用，但是在老年代中，大部分对象是存活对象。如果使用复制算法，由于存活的对象比较多，复制成本会很高。所以老年的垃圾回收需要使用新的算法。
    
    标记压缩算法是一种老年代的回收算法，其在标记-清除上做了一些优化。  
    其在清除的过程中，将所有存活的对象压缩到内存的一端。然后清除边界外的所有空间，这样既避免了空间碎片，又不需要两块相同的内存空间。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]
4.  **增量算法**  
    在垃圾回收的过程中，应用软件处于一种 **Stop the World** 的状态。应用程序的所有线程都会挂起，暂停正常工作，等待垃圾回收完成。  
    **基本思想：** 让垃圾回收线程和应用线程交替执行。每次，垃圾回收线程只收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用线程。如此反复，直到垃圾收集完成。  
    但是，因为线程切换和上下文转化的消耗，会使垃圾回收的总成本上升，系统的吞吐量下降。
5.  **分代**  
    以 Hot Spot 虚拟机为例，年轻代使用**复制算法**，老年代使用**标记-整理算法**。

##### 垃圾收集器 #####

按线程数分

*  串行垃圾回收器
 *  并行垃圾回收器

按工作模式

*  并发式垃圾回收器
 *  独占式垃圾回收器

按碎片处理方式

*  压缩式垃圾回收器
 *  非压缩式垃圾回收器

按工作的内存空间

*  新生代垃圾回收器
 *  老年代垃圾回收器

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

1.  **新生代串行收集器**
    
    串行收集器主要有两个特点：  
    \- 它仅仅使用单线程进行垃圾回收  
    \- 它是独占式的垃圾回收  
    在串行收集器进行垃圾回收时，Java 应用程序中的线程都要暂停，等待垃圾回收完成。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
    新生代串行处理器使用复制算法，实现简单，逻辑处理高效，并且没有线程切换的开销。  
    在 Hot Spot 虚拟机中，使用 **-XX:+UserSerialGC** 参数指定使用新生代串行收集器和老年代串行收集器。在客户端（Client）模式运行时，它是默认的垃圾收集器。
2.  **老年代串行收集器**
    
    老年代串行收集器使用的是标记-压缩算法。和新生代串行收集器一样，它也是串行、独占式的垃圾回收器。  
    若要使用老年代串行收集器：

*  **-XX:+UseSerialGC**：新生代、老年代都使用串行收集器
 *  **-XX:+UseParNewGC**：新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器（可以和 CMS 垃圾收集器一起使用）
 *  **-XX:+UseParallelGC**：新生代使用并行回收回收器，老年代使用串行收集器（不可以和 CMS 垃圾回收器一起使用）

1.  **并行收集器**  
    只是简单的将串行回收器多线程化。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

*  **-XX:+UseParNewGC**：新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器
 *  **-XX:+UseConcMarkSweepGC**：新生代使用并行收集器，老年代使用 **CMS**  
    并行收集器工作时的线程数可以使用 **-XX:ParallelGCThreads** 指定。默认情况下，CPU 个数小于 8 时，其值等于 CPU 的数量；当 CPU 数量大于 8 时，其值为 **3+\[(5 \* CPU\_Count)/8\]**

1.  **新生代并行回收（Parallel Scavenge）收集器**  
    新生代并行回收收集器也是使用复制算法的收集器。表面来看，其和并行收集器一样，同样是多线程和独占式的垃圾回收。但是并行回收收集器的特点是: 其十分关注系统的吞吐量。

*  **-XX:+UseParallelGC**：新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行收集器
 *  **-XX:+UseOldParallelGC**：新生代和老年代都使用并行回收收集器  
    并行回收收集器提供了两个重要的参数用于控制系统的吞吐量：  
    （1）**-XX:MaxGCPauseMillis**：设置最大垃圾收集的停顿时间，它的值是大于0的一个整数。  
    （2）**-XX:GCTimeRatio**：设置吞吐量大小，其值是 0~100 之间的整数。假设 **GCTimeRatio** 为 n，系统用于垃圾回收的时间不超过 **1/(1+n)**。默认 n=99，即不超过 1% 的时间。
    
    除了以上的不同，并行回收收集器和并行收集器的不同之处还在于，其支持自适应的 GC 调整策略。使用 **-XX:+UseAdaptiveSizePolicy** 可以打开自适应调整策略。  
    在手工调优比较困难的场合下，可以直接使用这种自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆（-Xmx）、目标的吞吐量（GCTimeRatio）和停顿时间（MaxGCPauseMillis），让虚拟机自己完成调优工作。

1.  **老年代并行回收收集器**
    
    老年代并行回收收集器使用标记-压缩算法，在 JDK 1.6 中才可以使用。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]
    
     *  **-XX:+UseParallelOldGC**
     *  **-XX:ParallelGCThreads**
2.  **CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）**  
    和并行回收收集器不同，CMS 收集器主要关注于系统的停顿时间。其使用的标记清除算法，同时也是一个使用多线程并行回收的垃圾收集器。  
    CMS 主要步骤有：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除和并发重置是可以和用户线程一起执行的。  
    从整体上说，CMS 手机不是抢占式的。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dqYXZhZG9n_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
    CMS 默认启动的线程数是 **(ParallelGCTheads + 3)/4**，也可通过 **-XX:ParallelCMSThreads** 直接指定。  
    当CPU资源比较紧张时，由于 CMS 收集器的线程的影响，应用系统的性能在垃圾回收阶段会很糟糕。
    
    回收阈值：**-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction**，默认 68.  
    CMS 是基于标记-清除算法的收集器，会造成大量的空间碎片，导致可用空间无法给大对象分配空间。  
    CMS 提供了用于内存整理的参数：
    
     *  **-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection**（内存碎片的整理并不是并发执行的）
     *  **-XX:CMSFullFCsBeforeCompaction** 用于设定进行多少次 CMS 后，进行一次内存压缩
3.  **G1 收集器（Garbage First）**  
    G1 收集器基于标记-压缩算法的。

设置使用G1收集器

*  **-XX:+UseG1GC -XX:+UnlockExperimentalVMOptions**

设置 G1 回收器的目标停顿时间

*  **-XX:MaxGCPauseMillis=50**
 *  **-XX:GCPauseIntervalMillis=200**

[JVM]: https://blog.csdn.net/wjavadog/article/details/100025712
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