深刻理解java虚拟机——垃圾收集器

各类垃圾收集器的配合使用关系

1.Serial收集器

Serial收集器是一个单线程收集器，收集时必须暂停其它全部的工做线程，知道收集结束。

虽然Serial收集器比较古老，但目前依然是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。优势：简单而高效（与其余收集器的单线程比），对于限定单个CPU的环境来讲，Serial收集器因为没有线程交互的开销，转系作垃圾收集天然能够得到最高的单线程收集效率。

Serial收集器对于运行在Client模式下的虚拟机来讲是一个很好的选择。

2.ParNew收集器

ParNew收集器就是Serial收集器的多线程版本，Serial收集器可用的全部控制参数（例如：-XX:SurvivoRatio、-XX:PretenureSizeThreshold、-XX:HandlePromotionFailure等）、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。

除了多线程没有太多的创新之处，可是倒是许多运行在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ParNew收集器能与CMS收集器配合工做。

ParNew收集器也是使用-XX：UseConcMarkSweepGC选项后的默认新生代收集器，也可使用-XX：+UseParNewGC选项来强制指定他。

ParNew在单线程环境中绝对不会比Serial有更好的效果，但随着CPU数量的增长会有更好的表现。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。

3.Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，也是使用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器。它的目标是达到一个可控制的吞吐量（Throuthput）。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）。

Parallen Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集停顿时间的-XX：MaxGCPauseMillis参数以及直接设置吞吐量大小的-XX：GCTimeRatio参数。

MaxGCPauseMillis参数容许的值是一个大于0的毫秒数，收集器将尽力保证内存回收花费的时间不超过设定值。不过你们不要异想天开地认为若是把这个参数的值设置得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得更频繁一些，原来10秒收集一次、每次停顿100毫秒，如今变成5秒收集一次、每次停顿70毫秒。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。若是把此参数设置为19，那容许的最大GC时间就占总时间的5%（即1 /（1+19）），默认值为99，就是容许最大1%（即1 /（1+99））的垃圾收集时间。

Parallel Scavenge收集器还有一个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy值得关注。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（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRatio）、晋升老年代对象年龄（-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最大的吞吐量，这种调节方式称为GC自适应的调节策略（GC Ergonomics）。若是读者对于收集器运做原理不太了解，手工优化存在困难的时候，使用Parallel Scavenge收集器配合自适应调节策略，把内存管理的调优任务交给虚拟机去完成将是一个很不错的选择。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参数（更关注吞吐量）给虚拟机设立一个优化目标，那具体细节参数的调节工做就由虚拟机完成了。自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。

4.Serial Old收集器

Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，也是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法。主要意义也是给在Client模式下的虚拟机使用。Server模式下：一种是在JDK1.5以前版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另外一种是做为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。

5.Parallel Old收集器

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。这个收集器在JDK1.6以后才开始提供，在此以前若是新生代选择了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old（PS MarkSweep）收集器外别无选择。因为单线程的老年代Serial Old收集器在服务端应用性能上的“拖累”，即使使用了Parallel Scavenge收集器也未必能在总体应用上得到吞吐量最大化的效果，又由于老年代收集中没法充分利用服务器多CPU的处理能力，在老年代很大并且硬件比较高级的环境中，这种组合的吞吐量甚至还不必定有ParNew加CMS的组合“给力”。

6.CMS收集器

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。是“标记-清除”算法实现的。

收集过程分为4个步骤：

①初始标记（CMS initial mark）

②并发标记（CMS concurrent mark）

③从新标记（CMS remark）

④并发清除（CMS concurrent sweep）

初始标记和从新标记须要“Stop The World”。初始标记仅仅标记一下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，从新标记阶段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。

CMS收集器优势：

并发收集、低停顿。

缺点：

CMS收集器对CPU资源很是敏感。其实，面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。在并发阶段，它虽然不会致使用户线程停顿，可是会由于占用了一部分线程（或者说CPU资源）而致使应用程序变慢，总吞吐量会下降。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最多占用不超过25%的CPU资源。可是当CPU不足4个时（譬如2个），那么CMS对用户程序的影响就可能变得很大，若是CPU负载原本就比较大的时候，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%，这也很让人受不了。为了解决这种状况，虚拟机提供了一种称为“增量式并发收集器”（Incremental Concurrent Mark Sweep / i-CMS）的CMS收集器变种，所作的事情和单CPU年代PC机操做系统使用抢占式来模拟多任务机制的思想同样，就是在并发标记和并发清理的时候让GC线程、用户线程交替运行，尽可能减小GC线程的独占资源的时间，这样整个垃圾收集的过程会更长，但对用户程序的影响就会显得少一些，速度降低也就没有那么明显，可是目前版本中，i-CMS已经被声明为“deprecated”，即再也不提倡用户使用。

CMS收集器没法处理浮动垃圾（Floating Garbage），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，伴随程序的运行天然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没法在本次收集中处理掉它们，只好留待下一次GC时再将其清理掉。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，即还须要预留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。在默认设置下，CMS收集器在老年代使用了68%的空间后就会被激活，这是一个偏保守的设置，若是在应用中老年代增加不是太快，能够适当调高参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值来提升触发百分比，以便下降内存回收次数以获取更好的性能。要是CMS运行期间预留的内存没法知足程序须要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时候虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来从新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。因此说参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置得过高将会很容易致使大量“Concurrent Mode Failure”失败，性能反而下降。

还有最后一个缺点，在本节在开头说过，CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，若是读者对前面这种算法介绍还有印象的话，就可能想到这意味着收集结束时会产生大量空间碎片。空间碎片过多时，将会给大对象分配带来很大的麻烦，每每会出现老年代还有很大的空间剩余，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，用于在“享受”完Full GC服务以后额外免费附送一个碎片整理过程，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了。虚拟机设计者们还提供了另一个参数-XX: CMSFullGCsBeforeCompaction，这个参数用于设置在执行多少次不压缩的Full GC后，跟着来一次带压缩的。

7.G1收集器

G1(Garbage-First）是一款面向服务端应用的垃圾收集器。使命是替换掉CMS收集器。

使用G1收集器时，java堆的内存布局与其余收集器有很大差异，它将整个java堆分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留新生代和老年代的概念，但已经不是物理隔离的了，都是一部分Region（不须要连续）的集合。

G1能创建可预测的停顿时间模型。它能够有计划的避免在整个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须要的时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据容许的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也就是Garbaage-First名称的由来）。

其中的细节，Region不多是孤立的，一个对象分配在某个Region中，他并不是只能被本Region中的其余对象引用，而是能够与整个java堆任意的对象发生引用关系。那岂不是判断对象存活的时候须要扫描整个java堆。使用Remembered Set来避免全局扫描。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（在分代例子中就是检查是否老年代中的对象应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应用对象所属的Region的Remembered Set中。当进行内存回收时，在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set便可保证不对全堆扫描也不会有遗漏。

不计算维护Remembered Set的操做，G1收集器的运做大体可划分为一下几个步骤：

①初始标记（Initial Marking）

②并发标记（Concurrent Marking）

③最终标记（Final Marking）

④筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）

前两个步骤与CMS收集器操做同样。

最终标记是为了修正在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标记记录，虚拟机将这段时间对象的变化记录在线程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，可是可并行执行。

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停顿时间来制定回收计划，这个阶段其实也能够作到与用户程序一块儿并发执行，可是由于只回收一部分Region，时间是用户可控制的，并且停顿用户线程将大幅提升收集效率。

做为CMS和G1的选择，若是你的应用追求低停顿，那G1如今已经能够做为一个能够尝试的选择，若是你的应用追求吞吐量，那G1并无什么优点。若是你如今采用的收集器没有出现问题，那就没有任何理由如今去选择G1。