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深入JVM:(四)垃圾收集器

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深入JVM:(四)垃圾收集器
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一、Serial收集器

这个收集器是一个单线程的收集器。在它进行垃圾收集时,必须暂停其他所有的工作线程,直到它收集结束。( Stop The World )

Serial收集器.png

直到现在为止,它依然是虚拟机运行在Client模式下的默认 新生代收集器 。它也有着优于其他收集器的地方: 简单而高效 (与其他收集器的单线程比),对于限定单个CPU的环境来说,Serial收集器由于 没有线程交互的开销 ,专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。在用户的桌面应用场景中,分配给虚拟机管理的内存一般来说不会很大,收集几十兆甚至一两百兆的新生代(仅仅是新生代使用的内存,桌面应用基本上不会再大了),停顿时间完全可以控制在几十毫秒最多一百多毫秒以内,只要不是频繁发生,这点停顿是可以接受的。所以,Serial收集器对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。

二、ParNew收集器

ParNew收集器其实就是 Serial收集器的多线程版本 ,除了使用多条线程进行垃圾收集之外,其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数(例如:-XX:SurvivorRatio、-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收集器完全一样

ParNew收集器.png

ParNew收集器除了多线程收集之外,其他与Serial收集器相比并没有太多创新之处,但它却是许多运行在 Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器

ParNew收集器在单CPU的环境中绝对不会有比Serial收集器更好的效果,甚至由于存在线程交互的开销,该收集器在通过超线程技术实现的两个CPU的环境中都不能百分之百地保证可以超越Serial收集器。当然,随着可以使用的CPU的数量的增加,它对于GC时系统资源的有效利用还是很有好处的。它默认开启的收集线程数与CPU的数量相同,在CPU非常多(譬如32个,现在CPU动辄就4核加超线程,服务器超过32个逻辑CPU的情况越来越多了)的环境下,可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。

三、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收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同,CMS等收集器的关注点是尽可能地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 (Throughput)

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需要与用户交互的程序,良好的响应速度能提升用户体验,而高吞吐量则可以高效率地利用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需要太多交互的任务。

Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量,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 参数允许的值是一个大于0的毫秒数,收集器将尽可能地保证内存回收花费的时间不超过设定值。 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新生代肯定比收集500MB快吧,这也直接导致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,现在变成5秒收集一次、每次停顿70毫秒
  • 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,相当于是吞吐量的倒数。如果把此参数设置为19,那允许的最大GC时间就占总时间的5%(即1/(1+19)),默认值为99,就是允许最大1%(即1/(1+99))的垃圾收集时间

四、Serial Old收集器

Serial Old是Serial收集器的 老年代版本 ,它同样是一个单线程收集器,使用“ 标记-整理 ”算法

五、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。

六、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。“基于“ 标记—清除 ”算法实现”。 目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上,这类应用尤其重视服务的响应速度,希望系统停顿时间最短,以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。

它的运作过程相对于前面几种收集器来说更复杂一些,整个过程分为4个步骤,包括:

初始标记(CMS initial mark)


并发标记(CMS concurrent mark)


重新标记(CMS remark)


并发清除(CMS concurrent sweep)

image.png

初始标记重新标记 这两个步骤仍然需要"Stop The World"。 初始标记 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 RootsTracing的过程,而 重新标记 阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生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。

CMS收集器对CPU资源非常敏感。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,它虽然不会导致用户线程停顿,但是会因为占用了一部分线程(或者说CPU资源)而导致应用程序变慢,总吞吐量会降低。 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不少于25%的CPU资源,并且随着CPU数量的增加而下降。但是当CPU不足4个(譬如2个)时,CMS对用户程序的影响就可能变得很大,如果本来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,就可能导致用户程序的执行速度忽然降低了50%,其实也让人无法接受。

CMS收集器的缺陷:

  • CMS收集器无法处理浮动垃圾(Floating Garbage) ,可能出现"Concurrent Mode Failure"失败而导致另一次Full GC的产生。 由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着,伴随程序运行自然就还会有新的垃圾不断产生,这一部分垃圾出现在标记过程之后,CMS无法在当次收集中处理掉它们 ,只好留待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”。
  • 由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行,那也就还 需要预留有足够的内存空间给用户线程使用 ,因此CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集,需要预留一部分空间提供并发收集时的程序运作使用。 在JDK 1.5的默认设置下,CMS收集器当老年代使用了68%的空间后就会被激活
  • CMS是一款基于“ 标记—清除 ”算法实现的收集器,这意味着收集结束时 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,往往会出现老年代还有很大空间剩余,但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象,不得不提前触发一次Full GC。

七、G1收集器

G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器

与其他GC收集器相比,G1具备如下特点:

  • 并行与并发 :G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势,使用多个CPU(CPU或者CPU核心)来缩短Stop-The-World停顿的时间,部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的GC动作,G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续执行。
  • 分代收集 :与其他收集器一样,分代概念在G1中依然得以保留。虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆,但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间、熬过多次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”算法不同,G1从整体来看是基于“ 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,收集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

G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤:

初始标记(Initial Marking)
并发标记(Concurrent Marking)
最终标记(Final Marking)
筛选回收(Live Data Counting and Evacuation)

G1收集器.png

G1的前几个步骤的运作过程和CMS有很多相似之处。 初始标记 阶段仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象,并且修改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中创建新对象,这阶段需要停顿线程,但耗时很短。 并发标记 阶段是从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,但可与用户程序并发执行。而 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作而导致标记产生变动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,最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中,这阶段需要停顿线程,但是可并行执行。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 用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划

由于目前G1成熟版本的发布时间还很短,G1收集器几乎可以说还没有经过实际应用的考验

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