深刻理解Java虚拟机笔记之四关于垃圾收集器

Serial收集器

这个收集器是一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不只仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工做，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其余全部的工做线程，直到它收集结束。

“Stop The World”，是由虚拟机在后台自动发起和自动完成的，在用户不可见的状况下把用户正常工做的线程所有停掉。

Serial收集器是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。

ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集以外，其他行为包括Serial收集器可用的全部控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与Serial收集器彻底同样。

ParNew收集器除了多线程收集以外，其余与Serial收集器相比没有太多创新之处，但它倒是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，其中有一个与性能无关但很重要的缘由是，除了Serial收集器外，目前只有他能与CMS收集器配合工做。ParNew收集器是使用-XX:+UseConcMarkSweepGC选项后的默认新生收集器，也可使用-XX:+UseParNewGC选项来强制指定它。

ParNew收集器在单CPU的环境中，没有Serial收集器效果好。固然随着可使用的CPU的数量的增长，它对应GC时系统资源的有效利用仍是颇有好处的。它默认开启的收集线程数与CPU的数量相同，在CPU很是多的环境下，可使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器。

Parallel Scavenge收集器的特色是它的关注点与其余收集器不一样，CMS等收集器的关注点是尽量的缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量。

所谓吞吐量就是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），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%。

停顿时间越短就越适合须要与用户交互的程序，良好的响应速度能提高用户体验，而高吞吐量则能够高效率的利用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须要太多交互的任务。

Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，控制最大垃圾收集停顿时间的-XX:MaxGCPauseMillis,吞吐量大小-XX:GCTimeRatio。

MaxGCPauseMillis参数容许的值是一个大于0的毫秒数，收集器将尽量的保证内存回收花费的时间不超过设定值。不过你们不要认为若是把这个参数的值设置的稍小一点就能使得系统的垃圾收集速度变得更快，GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取的：系统把新生代调小一些，收集300MB新生代确定比收集500MB快吧，这也直接致使垃圾收集发生的更频繁一些，原来10秒收集一次、每次停顿100ms，如今变成5秒收集一次、每次停顿70ms。停顿时间的确在降低，但吞吐量也降下来了。

GCTimeRatio参数的值应当是一个大于0且小于100的整数，也就是垃圾收集时间占总时间的比率，至关因而吞吐量的倒数。默认值为99，就是容许最大1%（即1/(1+99)）的垃圾收集时间。

因为与吞吐量关系密切，Parallel Scavenge收集器收集器也常常称为“吞吐量优先”收集器。 自适应调节策略：-XX:+UseAdaptiveSizePolicy。这是一个开关参数，当这个参数打开以后，就不须要手工指定新生代的大小、Eden与Survivor区的比例、晋升老年代对象大小（+XX:PretenureSizeThreshold）等细节参数了，虚拟机会根据当前系统的运行状况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量。只须要把基本的内存数据设置好（如-Xmx设置最大堆），而后使用MaxGCPauseMillis参数（更关注最大停顿时间）或GCTimeRatio（更关注吞吐量）参数给虚拟机设定一个优化目标，具体细节参数的调节工做就由虚拟机完成了。

Serial Old收集器

Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，它一样是一个单线程收集器。这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。在Server模式下主要有两大用途：JDK1.5以及以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用。做为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。

Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。

CMS收集器

HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工做。 CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。

CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的，运做过程分为4个步骤：

• 初始标记
• 并发标记
• 从新标记
• 并发清除

其中，初始标记、从新标记仍然须要“Stop The World”。初始化标记仅仅只是标记一下GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程，而从新标记阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运做而致使标记产生变更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，但远比并发标记的时间短。

因为整个过程当中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程均可以与用户线程一块儿工做，因此，整体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一块儿并发执行的。

三个明显的缺点：

• CMS收集器对CPU资源很是敏感。

CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量+3）/4，也就是当CPU在4个以上时，并发回收时垃圾收集线程很多于25%的CPU资源，而且随着CPU数量的增长而降低。可是当CPU不足4个时，CMS对用户程序的影响就可能变的很大，若是原本CPU负载就比较大，还分出一半的运算能力去执行收集器线程，就可能致使用户程序的执行速度突然下降了50%，让人没法接受。

• CMS收集器没法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而致使另外一次Full GC的产生。

因为CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴随程序运行天然就还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出如今标记过程以后，CMS没法在当次收集中处理掉它们，只好留待下一次GC时在清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”。也是因为在垃圾收集阶段用户线程还须要运行，那也就还须要预留有足够的内存空间给用户线程使用，所以CMS收集器不能像其余收集器那样等到老年代几乎彻底被填满了再进行收集，须要预留一部分空间提供并发收集时的程序运做使用。

能够经过设置-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来提升触发百分比，以便下降内存回收次数从而得到更好的性能。要是CMS运行期预留的内存没法知足程序须要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备方案：临时启用Serial Old收集器来从新进行老年代的垃圾收集，这样停顿的时间就很长了。

• CMS基于“标记-清除”算法实现，在垃圾收集结束时会有大量空间碎片产生

空间碎片过多时将会给大对象分配带来很大麻烦，每每会出现老年代还有很大空间剩余，可是没法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提早触发一次Full GC。为了解决这个问题，CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数（默认开启），用于在CMS收集器顶不住要进行Full GC时开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是没法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间不得不变长。虚拟机设计者还提供了另一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction，这个参数是用于设置执行多少次不压缩的Full GC后，跟着来一次带压缩的（默认值为0，表示每次进入Full GC是都进行碎片整理）。

G1收集器

G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器。它的使命是将来能够替换掉CMS收集器。

特色：

• 并行与并发

  G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优点，使用多个CPU来缩短Stop The World停顿的时间，部分其余收集器本来须要停顿Java线程执行的GC操做，G1收集器仍然能够经过并发的方式让Java程序继续执行。

• 分代收集

  与其余收集器同样，分代概念在G1中仍然得以保留。虽然G1能够不须要其余收集器配合就能独立管理整个GC堆，但它可以采用不一样的方式去处理新建立的对象和已经存活了一段时间、熬过屡次GC的旧对象以获取更好的收集效果。

• 空间整合

  与CMS的“标记-清理”算法不一样，G1从总体来看是基于“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，但不管如何，这两种算法都意味着G1运做期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会由于没法找到连续内存空间而提早触发下一次GC。

• 可预测的停顿

  这是G1相对于CMS的另外一大优点，下降停顿时间是G1和CMS共同的关注点，但G1除了追求停顿外，还能创建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毫秒的时间片断内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已是实时Java的垃圾收集器的特征了。

使用G1收集器时，Java堆的内存布局与其余收集器有很大区别，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代再也不是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不须要连续）的集合。

G1收集器之因此能创建可预测的停顿时间模型，是由于它能够有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所得到的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据运营的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也就是Garbage-First名称的来由）。这种使用Region划份内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了G1收集器在有限的时间内能够获取尽量高的收集效率。

在G1收集器中，Region之间的对象引用以及其余收集器中的新生代与老年代之间的对象引用，虚拟机都是使用Remembered Set来避免全堆扫描的。G1中每一个Region都有一个与之对应的Remembered Set，虚拟机发现程序在对Reference类型的数据进行写操做时，会产生一个Write Barrier暂时中断写操做，检查Reference引用的对象是否处于不一样的Region之中（在分代的例子中就是检查是否老年代中的对象引用了新生代中的对象），若是是，便经过CardTable把相关引用信息记录到被引用对象所属的Region的Remembered Set之中。当进行内存回收时，在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set便可保证不对全栈扫描也不会有遗漏。

运做步骤：

• 初始标记

  标记一下GC Roots能直接关联到的对象，并修改TAMS（Next Top at Mark Start）的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可用的Region中建立新对象，这阶段须要停顿线程，但耗时很短。

• 并发标记

  从GC Root开始对堆中对象进行可达性分析，找出存活的对象，这阶段耗时较长，但能够与用户程序并发执行

• 最终标记

  最终标记阶段则是为了修正在并发标记期间因用户程序继续运做二致使标记产生变更的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程Remembered Set Logs里面，最终标记阶段须要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中，这阶段须要停顿线程，可是能够并发执行。

• 筛选回收

  最后在筛选回收阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所指望的GC停顿时间来指定回收计划。