Java-Parallel GC介绍

JVM 垃圾收集器发展历史

JDK1.8中使用 jmap -heap pid上面会出现 Parallel GC

jmap -heap 18378
Attaching to process ID 18378, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.261-b12

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s) ###

JVM垃圾收集器的发展历史中,咱们并无找到 Parallel GC,那么它到底表明什么?

Parallel GC有两种组合

• 使用-XX:+UseParallelGC参数来启用Parallel Scavenge和PSMarkSweep(Serial Old)收集器组合进行垃圾收集。(图上能够找到)
• 使用-XX:+UserParallelOldGC参数来启用Parallel scavenge和Parallel Old收集器组合收集。(图上能够找到)

Parallel GC起源

Young GC / Parallel Scavenge

Parallel Scavenge收集器（下称PS收集器）也是一个多线程收集器，也是使用复制算法，但它的对象分配规则与回收策略都与ParNew收集器有所不一样，它是以吞吐量最大化（即GC时间占总运行时间最小）为目标的收集器实现，它容许较长时间的STW换取总吞吐量最大化。

Full GC / PSMarkSweep(Serial Old)

在Parallel Scavenge收集器架构中自己有PS MarkSweep收集器来进行老年代收集，但因为PS MarkSweep与Serial Old实现很是接近，所以官方的许多资料都直接以Serial Old代替PS MarkSweep进行讲解。

使用-XX:+UseParallelGC参数即是开启PSScavenge和PSMarkSweep的组合，便是只有Young GC是并行的，Full GC仍然是串行,使用标记-整理算法。

Full GC / PSCompact(ParallelOld GC)

后来开发者开发了基于LISP2算法的并行版的Full GC收集器来收集整个GC堆，名为 PSCompact。使用 -XX:+UseParallelOldGC参数来即是开启 PSScavenge和 PSCompact的组合，将 Young GC和 Full GC都并行化了。

收集器

Parallel Scavenge

新生代并行回收器，内存分布使用的复制算法。 Parallel Scavenge主要关注的是应用的吞吐量，而其余收集器关注的主要是尽量的缩短STW（stop the word）的时间。

吞度量=t1/(t1+t2)
t1运行用户代码的总时间
t2运行垃圾收集的总时间
好比，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%。

Parallel Scavenge收集器提供了两个参数来用于精确控制吞吐量，一是控制最大垃圾收集停顿时间的 -XX:MaxGCPauseMillis参数，二是控制吞吐量大小的 -XX:GCTimeRatio参数

• -XX:MaxGCPauseMillis

参数的值是一个大于0的毫秒数，收集器将尽量的保证回收耗费的时间不超过设定的值，可是，并非越小越好，GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取的，若是设置的值过小，将会致使频繁GC，这样虽然GC停顿时间下来了，可是吞吐量也下来了。好比收集500MB时候，须要每10秒收集一次，每次回收耗时100ms；若是收集300MB的时候，须要每5秒收集一次，每次回收耗时70ms，虽然每次回收耗时更少，可是工做频次提升，致使吞吐量反而下降了。

• -XX:GCTimeRatio

参数的值是一个大于0且小于100的整数，也就是垃圾收集时间占总时间的比率，默认值是99，就是容许最大1%（即1/(1+99)）的垃圾收集时间。

Parallel Scavenge有个重要的特性，是支持GC自适应的调节策略，使用-XX：UseAdaptiveSizePolicy参数开启，开启以后，虚拟机会根据当前系统运行状况收集监控信息，动态调整新生代的比例、老年大大小等细节参数，以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量。开启这个参数以后，就不须要再设置新生代大小，Eden与S0/S1的比例等等参数。

Parallel Old

Parallel Old GC在 Parallel Scavenge和 Parallel Old收集器组合中，负责Full GC，是一个并行收集器，其在整理年轻代的时候，使用与Parallel Scavenge GC同样的常规“复制”算法，可是在整理老年代的时候，是使用的基于“标记-整理”算法优化的“Mark–Summary-Compaction”算法。

算法包含三个部分

• Mark

首先将老年代的内存，划分为大小固定的多个连续Region，当标记完存活对象以后，统计每一个Region的存活对象数量。Mark阶段采用串行标记全部从GC Roots可直达的对象，而后并行标记全部存活的对象。

• Summary

某个Region的密度 = 存活对象的内存大小 / Region内存大小。由于每次整理会将存活的对象向Old区的左侧移动，而对象存活越久，理论上就越不容易被回收，因此通过屡次整理以后，左侧Region中的对象更偏向于稳定、“长寿”，便是左侧Region的密度更大。Summary阶段，算法采用以空间换时间的优化方式，针对一个密度很大的Region，好比95%的空间是存活对象，只有断断续续5%的空间是未使用的，那么算法认为这个Region不值得被整理，便是选择浪费掉这5%的空间，以节省整理操做的时间开销。在Sumamry阶段，首先从左至右计算各个Region的密度，直到找到一个point，这个point左侧的Region都不值得整理，右侧的Region须要整理。point左侧的Region被称为dense prefix，这个区域内的对象都不会被移动。Summary阶段是一个串行执行的阶段。

• Compaction

Compaction阶段利用Summary阶段的统计数据，针对须要整理的部分，采用“整理”算法进行并行操做。

GC策略

• -XX:+ScavengeBeforeFullGC

ScavengeBeforeFullGC是 Parallel GC套装中（两种组合都生效）的一个参数，默认是开启的，做用是在一次Full GC以前，先触发一次Young GC来清理年轻代，以下降Full GC的STW耗时（Young GC会清理Young GC中非存活的对象，减小Full GC中，标记存活对象的工做量）。

举个例子，使用System.gc()触发Full GC，能够看到日志以下：

2020-03-01T13:38:30.496-0800: [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 37274K->1392K(46080K)] 78234K->42360K(97280K), 0.0033397 secs] [Times: user=0.02 sys=0.01, real=0.01 secs] 
2020-03-01T13:38:30.500-0800: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1392K->0K(46080K)] [ParOldGen: 40968K->1225K(51200K)] 42360K->1225K(97280K), [Metaspace: 4876K->4876K(1056768K)], 0.0113851 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.01 secs]

第一次GC为一次Young GC，能够看到是由System.gc()触发的，而后紧跟着是一次Full GC。

添加-XX:-ScavengeBeforeFullGC参数以后，日志就变为只有一条Full GC的日志：

2020-03-01T14:26:05.562-0800: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 37274K->0K(46080K)] [ParOldGen: 40960K->1225K(51200K)] 78234K->1225K(97280K), [Metaspace: 4882K->4882K(1056768K)], 0.0127785 secs] [Times: user=0.05 sys=0.01, real=0.01 secs]

内存分配策略

对于常规收集器来讲，当Eden区没法分配内存时，便会触发一次Young GC，可是对于Parallel GC有点变化：

• 当整个新生代剩余的空间没法存放某个对象时，Parallel GC中该对象会直接进入老年代；
• 而若是整个新生代剩余的空间能够存放但只是Eden区空间不足，则会尝试一次Minor GC。

举个例子:

public class TestApp {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        allocM(10);
        allocM(10);
        allocM(10);
        allocM(20);

        Thread.sleep(1000);
    }

    private static byte[] allocM(int n) throws InterruptedException {
        byte[] ret = new byte[1024 * 1024 * n];

        System.out.println(String.format("%s: Alloc %dMB", LocalDateTime.now().toString(), n));
        Thread.sleep(500);

        return ret;
    }
}

JVM参数为： -Xms100m -Xmx100m -Xmn50m -XX:SurvivorRatio=8 -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC -XX:+UseParallelOldGC，运行起来，打印日志以下：

2020-03-01T16:36:13.027: Alloc 10MB
2020-03-01T16:36:13.548: Alloc 10MB
2020-03-01T16:36:14.061: Alloc 10MB
2020-03-01T16:36:14.577: Alloc 20MB
Heap
 PSYoungGen      total 46080K, used 38094K [0x00000007bce00000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 40960K, 93% used [0x00000007bce00000,0x00000007bf333878,0x00000007bf600000)
  from space 5120K, 0% used [0x00000007bfb00000,0x00000007bfb00000,0x00000007c0000000)
  to   space 5120K, 0% used [0x00000007bf600000,0x00000007bf600000,0x00000007bfb00000)
 ParOldGen       total 51200K, used 20480K [0x00000007b9c00000, 0x00000007bce00000, 0x00000007bce00000)
  object space 51200K, 40% used [0x00000007b9c00000,0x00000007bb000010,0x00000007bce00000)
 Metaspace       used 4879K, capacity 5012K, committed 5248K, reserved 1056768K
  class space    used 527K, capacity 564K, committed 640K, reserved 1048576K

能够看到第4行，分配20M内存时，Eden区已经不足20M空余内存了,整个年轻代加起来都不够20M了，可是并无触发Young GC，而是继续执行，知道程序结束前，打印堆的状况，咱们能够看到20M内存是分配到了老年代中。

修改代码，将最后一个allocM(20);改为allocM(5);，从新执行，获得日志以下：

2020-03-01T16:39:56.375: Alloc 10MB
2020-03-01T16:39:56.896: Alloc 10MB
2020-03-01T16:39:57.408: Alloc 10MB

{Heap before GC invocations=1 (full 0):
 PSYoungGen      total 46080K, used 37274K [0x00000007bce00000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 40960K, 91% used [0x00000007bce00000,0x00000007bf266a08,0x00000007bf600000)
  from space 5120K, 0% used [0x00000007bfb00000,0x00000007bfb00000,0x00000007c0000000)
  to   space 5120K, 0% used [0x00000007bf600000,0x00000007bf600000,0x00000007bfb00000)
 ParOldGen       total 51200K, used 0K [0x00000007b9c00000, 0x00000007bce00000, 0x00000007bce00000)
  object space 51200K, 0% used [0x00000007b9c00000,0x00000007b9c00000,0x00000007bce00000)
 Metaspace       used 4882K, capacity 5012K, committed 5248K, reserved 1056768K
  class space    used 526K, capacity 564K, committed 640K, reserved 1048576K
2020-03-01T16:39:57.910-0800: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 37274K->1328K(46080K)] 37274K->1336K(97280K), 0.0033380 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 
Heap after GC invocations=1 (full 0):
 PSYoungGen      total 46080K, used 1328K [0x00000007bce00000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 40960K, 0% used [0x00000007bce00000,0x00000007bce00000,0x00000007bf600000)
  from space 5120K, 25% used [0x00000007bf600000,0x00000007bf74c010,0x00000007bfb00000)
  to   space 5120K, 0% used [0x00000007bfb00000,0x00000007bfb00000,0x00000007c0000000)
 ParOldGen       total 51200K, used 8K [0x00000007b9c00000, 0x00000007bce00000, 0x00000007bce00000)
  object space 51200K, 0% used [0x00000007b9c00000,0x00000007b9c02000,0x00000007bce00000)
 Metaspace       used 4882K, capacity 5012K, committed 5248K, reserved 1056768K
  class space    used 526K, capacity 564K, committed 640K, reserved 1048576K
}

2020-03-01T16:39:57.916: Alloc 5MB

在执行第4行，分配5M内存时，Eden区不足，可是整个年轻代空余内存是大于5M的，因而触发了一次Young GC。

悲观策略

绝大多数收集器，都有这么一个策略：在执行Young GC以前，若是估计以前晋升老年代的平均大小，比当前老年代的剩余空间要大的话，则会放弃Young GC，转而触发Full GC。

Parallel GC除了上述策略外，还有另一个策略：在执行Young GC以后，若是晋升老年代的平均大小，比当前老年代的剩余空间要大的话，则会触发一次Full GC。

public class TestApp {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        byte[][] use = new byte[7][];
        use[0] = allocM(10);
        use[1] = allocM(10);
        use[2] = allocM(10);
        use[3] = allocM(10);
        use[4] = allocM(10);
        use[5] = allocM(10);
        use[6] = allocM(10);

        Thread.sleep(1000);
    }

    private static byte[] allocM(int n) throws InterruptedException {
        byte[] ret = new byte[1024 * 1024 * n];

        System.out.println(String.format("%s: Alloc %dMB", LocalDateTime.now().toString(), n));
        Thread.sleep(500);

        return ret;
    }
}

JVM参数为： -Xms100m -Xmx100m -Xmn50m -XX:SurvivorRatio=8 -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC -XX:+UseParallelOldGC，运行起来，打印日志以下（省略掉部分）：

2020-03-01T16:02:43.172: Alloc 10MB
2020-03-01T16:02:43.693: Alloc 10MB
2020-03-01T16:02:44.206: Alloc 10MB

{Heap before GC invocations=1 (full 0):
 PSYoungGen      total 46080K, used 37274K [*, *, *)
  eden space 40960K, 91% used [*,*,*)
  from space 5120K, 0% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 51200K, used 0K [*, *, *)
  object space 51200K, 0% used [*,*,*)
2020-03-01T16:02:44.711-0800: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 37274K->1392K(46080K)] 37274K->32120K(97280K), 0.0163176 secs] [Times: user=0.09 sys=0.03, real=0.01 secs] 
Heap after GC invocations=1 (full 0):
 PSYoungGen      total 46080K, used 1392K [*, *, *)
  eden space 40960K, 0% used [*,*,*)
  from space 5120K, 27% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 51200K, used 30728K [*, *, *)
  object space 51200K, 60% used [*,*,*)
}

{Heap before GC invocations=2 (full 1):
 PSYoungGen      total 46080K, used 1392K [*, *, *)
  eden space 40960K, 0% used [*,*,*)
  from space 5120K, 27% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 51200K, used 30728K [*, *, *)
  object space 51200K, 60% used [*,*,*)
2020-03-01T16:02:44.728-0800: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 1392K->0K(46080K)] [ParOldGen: 30728K->31945K(51200K)] 32120K->31945K(97280K), [Metaspace: 4881K->4881K(1056768K)], 0.0096352 secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap after GC invocations=2 (full 1):
 PSYoungGen      total 46080K, used 0K [*, *, *)
  eden space 40960K, 0% used [*,*,*)
  from space 5120K, 0% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 51200K, used 31945K [*, *, *)
  object space 51200K, 62% used [*,*,*)
}

2020-03-01T16:02:44.739: Alloc 10MB

执行完第一次 Young GC以后，因为年轻代的S区容量不足，因此Eden区中的30M内存会提早晋升到老年代。GC以后，老年代空间被占用了60%，还剩下40%（20M），而平均晋升内存大小为30M，因此触发悲观策略，致使了一次 Full GC。

咱们将JVM中的-Xms100m -Xmx100m换成-Xms120m -Xmx120m，从新执行日志以下：

2020-03-01T16:08:39.372: Alloc 10MB
2020-03-01T16:08:39.895: Alloc 10MB
2020-03-01T16:08:40.405: Alloc 10MB

{Heap before GC invocations=1 (full 0):
 PSYoungGen      total 46080K, used 37274K [*, *, *)
  eden space 40960K, 91% used [*,*,*)
  from space 5120K, 0% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 71680K, used 0K [*, *, *)
  object space 71680K, 0% used [*,*,*)
2020-03-01T16:08:40.906-0800: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 37274K->1360K(46080K)] 37274K->32088K(117760K), 0.0152322 secs] [Times: user=0.07 sys=0.03, real=0.02 secs] 
Heap after GC invocations=1 (full 0):
 PSYoungGen      total 46080K, used 1360K [*, *, *)
  eden space 40960K, 0% used [*,*,*)
  from space 5120K, 26% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 71680K, used 30728K [*, *, *)
  object space 71680K, 42% used [*,*,*)
}

2020-03-01T16:08:40.923: Alloc 10MB
2020-03-01T16:08:41.429: Alloc 10MB
2020-03-01T16:08:41.934: Alloc 10MB

{Heap before GC invocations=2 (full 0):
 PSYoungGen      total 46080K, used 32854K [*, *, *)
  eden space 40960K, 76% used [*,*,*)
  from space 5120K, 26% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 71680K, used 30728K [*, *, *)
  object space 71680K, 42% used [*,*,*)
2020-03-01T16:08:42.438-0800: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 32854K->1392K(46080K)] 63582K->62840K(117760K), 0.0151558 secs] [Times: user=0.07 sys=0.03, real=0.02 secs] 
Heap after GC invocations=2 (full 0):
 PSYoungGen      total 46080K, used 1392K [*, *, *)
  eden space 40960K, 0% used [*,*,*)
  from space 5120K, 27% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 71680K, used 61448K [*, *, *)
  object space 71680K, 85% used [*,*,*)
}

{Heap before GC invocations=3 (full 1):
 PSYoungGen      total 46080K, used 1392K [*, *, *)
  eden space 40960K, 0% used [*,*,*)
  from space 5120K, 27% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 71680K, used 61448K [*, *, *)
  object space 71680K, 85% used [*,*,*)
 Metaspace       used 4883K, capacity 5012K, committed 5248K, reserved 1056768K
  class space    used 526K, capacity 564K, committed 640K, reserved 1048576K
2020-03-01T16:08:42.454-0800: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 1392K->0K(46080K)] [ParOldGen: 61448K->62634K(71680K)] 62840K->62634K(117760K), [Metaspace: 4883K->4883K(1056768K)], 0.0139615 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap after GC invocations=3 (full 1):
 PSYoungGen      total 46080K, used 0K [*, *, *)
  eden space 40960K, 0% used [*,*,*)
  from space 5120K, 0% used [*,*,*)
  to   space 5120K, 0% used [*,*,*)
 ParOldGen       total 71680K, used 62634K [*, *, *)
  object space 71680K, 87% used [*,*,*)
}

2020-03-01T16:08:42.469: Alloc 10MB

能够看到，第一次 Young GC以后，因为老年代剩余空间足够大，并无触发Full GC，而随着内存继续分配，第二次 Young GC以后，仍是触发了悲观策略。

JVM默认老年代回收是 PSMarkSweep(Serial-Old) 仍是Parallel Old？

这个改进使得HotSpot VM在选择使用 ParallelGC（-XX:+UseParallelGC 或者是ergonomics自动选择）的时候，会默认开启 -XX:+UseParallelOldGC 。这个变动应该是在JDK7u4开始的JDK7u系列与JDK8系列开始生效。

http://hg.openjdk.java.net/jd...

--- a/src/share/vm/runtime/arguments.cpp    Mon Jan 30 15:21:57 2012 +0100
+++ b/src/share/vm/runtime/arguments.cpp    Thu Feb 02 16:05:17 2012 -0800
@@ -1400,10 +1400,11 @@
 
 void Arguments::set_parallel_gc_flags() {
   assert(UseParallelGC || UseParallelOldGC, "Error");
-  // If parallel old was requested, automatically enable parallel scavenge.
-  if (UseParallelOldGC && !UseParallelGC && FLAG_IS_DEFAULT(UseParallelGC)) {
-    FLAG_SET_DEFAULT(UseParallelGC, true);
+  // Enable ParallelOld unless it was explicitly disabled (cmd line or rc file).
+  if (FLAG_IS_DEFAULT(UseParallelOldGC)) {
+    FLAG_SET_DEFAULT(UseParallelOldGC, true);
   }
+  FLAG_SET_DEFAULT(UseParallelGC, true);
 
   // If no heap maximum was requested explicitly, use some reasonable fraction
   // of the physical memory, up to a maximum of 1GB.

在这个改变以前，即使选择了ParallelGC，默认状况下ParallelOldGC并不会随即开启，而是要本身经过 -XX:+UseParallelOldGC 去选定。

在GC日志里，若是看到Full GC里有"ParOldGen"就是选择了ParallelOldGC。
[Full GC [PSYoungGen: 480K->0K(3584K)] [ParOldGen: 4660K->4909K(12288K)] 5141K->4909K(15872K) [PSPermGen: 11202K->11198K(22528K)], 0.0515530 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.05 secs]