JVM之垃圾回收器

以你之姓@ 2023-07-17 09:54 17阅读 0赞

## 垃圾回收器 ##

### 1. 垃圾回收器分类标准 ###

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### 2. 七种垃圾回收器概述 ###

在 `JVM` 中，具体实现有 `Serial`、`ParNew`、`Parallel Scavenge`、`CMS`、`Serial Old（MSC）`、`Parallel Old`、`G1` 等。在下图中，你可以看到 **不同垃圾回收器** 适合于 **不同的内存区域**，如果两个垃圾回收器之间 **存在连线**，那么表示两者可以 **配合使用**。

如果当 **垃圾回收器** 进行垃圾清理时，必须 **暂停** 其他所有的 **工作线程**，直到它完全收集结束。我们称这种需要暂停工作线程才能进行清理的策略为 `Stop-the-World`。以上回收器中， `Serial`、`ParNew`、`Parallel Scavenge`、`Serial Old`、`Parallel Old` 均采用的是 `Stop-the-World` 的策略。

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图中有 `7` 种不同的 **垃圾回收器**，它们分别用于不同分代的垃圾回收。

*  **新生代回收器**：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
 *  **老年代回收器**：Serial Old、Parallel Old、CMS
 *  **整堆回收器**：G1

两个 **垃圾回收器** 之间有连线表示它们可以 **搭配使用**，可选的搭配方案如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>新生代</th> 
   <th>老年代</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Serial</td> 
   <td>Serial Old</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Serial</td> 
   <td>CMS</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ParNew</td> 
   <td>Serial Old</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ParNew</td> 
   <td>CMS</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Parallel Scavenge</td> 
   <td>Serial Old</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Parallel Scavenge</td> 
   <td>Parallel Old</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>G1</td> 
   <td>G1</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 3. 单线程垃圾回收器 ###

3.1. Serial（-XX:+UseSerialGC）

`Serial` 回收器是最基本的 **新生代** 垃圾回收器，是 **单线程** 的垃圾回收器。由于垃圾清理时，`Serial` **回收器** 不存在 **线程间的切换**，因此，特别是在单 `CPU` 的环境下，它的 **垃圾清除效率** 比较高。对于 `Client` 运行模式的程序，选择 `Serial` 回收器是一个不错的选择。

`Serial` **新生代回收器** 采用的是 **复制算法**。

3.2. Serial Old（-XX:+UseSerialGC）

`Serial Old` 回收器是 `Serial` 回收器的 **老生代版本**，属于 **单线程回收器**，它使用 **标记-整理** 算法。对于 `Server` 模式下的虚拟机，在 `JDK1.5` 及其以前，它常与 `Parallel Scavenge` 回收器配合使用，达到较好的 **吞吐量**，另外它也是 `CMS` 回收器在 `Concurrent Mode Failure` 时的 **后备方案**。

`Serial` 回收器和 `Serial Old` 回收器的执行效果如下：

> `Serial Old` **老年代回收器** 采用的是 **标记 - 整理算法**。

### 4. 多线程垃圾回收器（吞吐量优先） ###

4.1. ParNew（-XX:+UseParNewGC）

`ParNew` 回收器是在 `Serial` 回收器的基础上演化而来的，属于 `Serial` 回收器的 **多线程版本**，同样运行在 **新生代区域**。在实现上，两者共用很多代码。在不同运行环境下，根据 `CPU` 核数，开启 **不同的线程数**，从而达到 **最优** 的垃圾回收效果。对于那些 `Server` 模式的应用程序，如果考虑采用 `CMS` 作为 **老生代回收器** 时，`ParNew` 回收器是一个不错的选择。

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> `ParNew` **新生代回收器** 采用的是 **复制算法**。

4.2. Parallel Scavenge（-XX:+UseParallelGC）

和 `ParNew` 回收一样，`Parallel Scavenge` 回收器也是运行在 **新生代区域**，属于 **多线程** 的回收器。但不同的是，`ParNew` 回收器是通过控制 **垃圾回收** 的 **线程数** 来进行参数调整，而 `Parallel Scavenge` 回收器更关心的是 **程序运行的吞吐量**。即一段时间内，**用户代码** 运行时间占 **总运行时间** 的百分比。

> `Parallel Scavenge` **新生代回收器** 采用的是 **复制算法**。

4.3. Parallel Old（-XX:+UseParallelOldGC）

`Parallel Old` 回收器是 `Parallel Scavenge` 回收器的 **老生代版本**，属于 **多线程回收器**，采用 **标记-整理算法**。`Parallel Old` 回收器和 `Parallel Scavenge` 回收器同样考虑了 **吞吐量优先** 这一指标，非常适合那些 **注重吞吐量** 和 `CPU` **资源敏感** 的场合。

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> `Parallel Old` **老年代回收器** 采用的是 **标记 - 整理算法**。

### 5. 其他的回收器（停顿时间优先） ###

5.1. CMS（-XX:+UseConcMarkSweepGC）

`CMS（Concurrent Mark Sweep）` 回收器是在 **最短回收停顿时间** 为前提的回收器，属于 **多线程回收器**，采用 **标记-清除算法**。

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相比之前的回收器，`CMS` 回收器的运作过程比较复杂，分为四步：

1.  **初始标记（CMS initial mark）**

**初始标记** 仅仅是标记 `GC Roots` 内 **直接关联** 的对象。这个阶段 **速度很快**，需要 `Stop the World`。

1.  **并发标记（CMS concurrent mark）**

**并发标记** 进行的是 `GC Tracing`，从 `GC Roots` 开始对堆进行 **可达性分析**，找出 **存活对象**。

1.  **重新标记（CMS remark）**

**重新标记** 阶段为了 **修正** 并发期间由于 **用户进行运作** 导致的 **标记变动** 的那一部分对象的 **标记记录**。这个阶段的 **停顿时间** 一般会比 **初始标记阶段** 稍长一些，但远比 **并发标记** 的时间短，也需要 `Stop The World`。

1.  **并发清除（CMS concurrent sweep）**

**并发清除** 阶段会清除垃圾对象。

> **初始标记**（`CMS initial mark`）和 **重新标记**（`CMS remark`）会导致 **用户线程** 卡顿，`Stop the World` 现象发生。

在整个过程中，`CMS` 回收器的 **内存回收** 基本上和 **用户线程** 并发执行，如下所示：

由于 `CMS` 回收器 **并发收集**、**停顿低**，因此有些地方成为 **并发低停顿回收器**（`Concurrent Low Pause Sweep Collector`）。

`CMS` 回收器的缺点：

1.  **CMS回收器对CPU资源非常依赖**

`CMS` 回收器过分依赖于 **多线程环境**，默认情况下，开启的 **线程数** 为`（CPU 的数量 + 3）/ 4`，当 `CPU` 数量少于 `4` 个时，`CMS` 对 **用户查询** 的影响将会很大，因为他们要分出一半的运算能力去 **执行回收器线程**；

1.  **CMS回收器无法清除浮动垃圾**

由于 `CMS` 回收器 **清除已标记的垃圾** （处于最后一个阶段）时，**用户线程** 还在运行，因此会有新的垃圾产生。但是这部分垃圾 **未被标记**，在下一次 `GC` 才能清除，因此被成为 **浮动垃圾**。

由于 **内存回收** 和 **用户线程** 是同时进行的，内存在被 **回收** 的同时，也在被 **分配**。当 **老生代** 中的内存使用超过一定的比例时，系统将会进行 **垃圾回收**；当 **剩余内存** 不能满足程序运行要求时，系统将会出现 `Concurrent Mode Failure`，临时采用 `Serial Old` 算法进行 **清除**，此时的 **性能** 将会降低。

1.  **垃圾收集结束后残余大量空间碎片**

`CMS` 回收器采用的 **标记清除算法**，本身存在垃圾收集结束后残余 **大量空间碎片** 的缺点。`CMS` 配合适当的 **内存整理策略**，在一定程度上可以解决这个问题。

5.2. G1回收器（垃圾区域Region优先）

`G1` 是 `JDK 1.7` 中正式投入使用的用于取代 `CMS` 的 **压缩回收器**。它虽然没有在物理上隔断 **新生代** 与 **老生代**，但是仍然属于 **分代垃圾回收器**。`G1` 仍然会区分 **年轻代** 与 **老年代**，年轻代依然分有 `Eden` 区与 `Survivor` 区。

`G1` 首先将 **堆** 分为 **大小相等** 的 `Region`，避免 **全区域** 的垃圾回收。然后追踪每个 `Region` 垃圾 **堆积的价值大小**，在后台维护一个 **优先列表**，根据允许的回收时间优先回收价值最大的 `Region`。同时 `G1`采用 `Remembered Set` 来存放 `Region` 之间的 **对象引用** ，其他回收器中的 **新生代** 与 **老年代** 之间的对象引用，从而避免 **全堆扫描**。`G1` 的分区示例如下图所示：

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这种使用 `Region` 划分 **内存空间** 以及有 **优先级** 的区域回收方式，保证 `G1` 回收器在有限的时间内可以获得尽可能 **高的回收效率**。

`G1` 和 `CMS` 运作过程有很多相似之处，整个过程也分为 `4` 个步骤：

1.  **初始标记（CMS initial mark）**

**初始标记** 仅仅是标记 `GC Roots` 内 **直接关联** 的对象。这个阶段 **速度很快**，需要 `Stop the World`。

1.  **并发标记（CMS concurrent mark）**

**并发标记** 进行的是 `GC Tracing`，从 `GC Roots` 开始对堆进行 **可达性分析**，找出 **存活对象**。

1.  **重新标记（CMS remark）**

1.  **筛选回收**

首先对各个 `Region` 的 **回收价值** 和 **成本** 进行排序，根据用户所期望的 `GC` **停顿时间** 来制定回收计划。这个阶段可以与用户程序一起 **并发执行**，但是因为只回收一部分 `Region`，时间是用户可控制的，而且停顿 **用户线程** 将大幅提高回收效率。

> 与其它 `GC` 回收相比，`G1` 具备如下 `4` 个特点：

*  **并行与并发**

使用多个 `CPU` 来缩短 `Stop-the-World` 的 **停顿时间**，部分其他回收器需要停顿 `Java` 线程执行的 `GC` 动作，`G1` 回收器仍然可以通过 **并发的方式** 让 `Java` 程序继续执行。

*  **分代回收**

与其他回收器一样，**分代概念** 在 `G1` 中依然得以保留。虽然 `G1` 可以不需要 **其他回收器配合** 就能独立管理 **整个GC堆**，但它能够采用 **不同的策略** 去处理 **新创建的对象** 和 **已经存活** 一段时间、**熬过多次** `GC` 的旧对象，以获取更好的回收效果。**新生代** 和 **老年代** 不再是 **物理隔离**，是多个 **大小相等** 的独立 `Region`。

*  **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** 算法实现的回收器。从 **局部**（两个 `Region` 之间）上来看是基于 **复制算法** 实现的。

但无论如何，这 **两种算法** 都意味着 `G1` 运作期间 **不会产生内存空间碎片**，回收后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，**分配大对象** 时不会因为无法找到 **连续内存空间** 而提前触发 **下一次** `GC`。

*  **可预测的停顿**

这是 `G1` 相对于 `CMS` 的另一大优势，**降低停顿时间** 是 `G1` 和 `CMS` 共同的关注点。`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在一个 **长度** 为 `M` 毫秒的 **时间片段** 内，消耗在 **垃圾回收** 上的时间不得超过 `N` 毫秒。（后台维护的 **优先列表**，优先回收 **价值大** 的 `Region`）。

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