JVM(四)--垃圾收集器

JVM(四)–垃圾收集器

这篇博客的内容包括:

一、垃圾收集器：
- 1,Serial 收集器：
- 2，ParNew 收集器：
- 3, Parallel Scavenge 收集器：
- 4,Serial Old收集器：
- 5, Parallel Old收集器：
- 6,CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）：
- 7,G1收集器（可预测停顿是其一大优势）：
二、收集器总结：
三、垃圾收集器参数总结：
四、补几个问题：
- 1，CMS GC回收分为几个阶段？分别做了什么事情？CMS有哪些重要参数,CMS优缺点？
- 2，垃圾收集器（Serial+ParNew+Parallel Scavenge+CMS+Serial Old+Parallel Old +G1）简单谈一谈
- 3，gc root 垃圾收集器（CMS+G1）简单谈一谈。
- 4，如何选择垃圾收集器？
- 5，怎么查看服务器默认的垃圾收集器是哪个？生产上如何配置垃圾收集器的？谈谈你对垃圾收集器的理解？

一、垃圾收集器：

图中展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，就说明它们可以搭配使用。

注意：Serial+CMS 和 ParNew+Serial Old这两种搭配不建议使用。

并发与并行：

并行：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态
并发：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能回交替执行），用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上

1. Serial 收集器：

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器，是JDK 1.3.1之前新生代收集的唯一选择。

这个收集器时一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个CPU或者一条收集线程去完成垃圾回收工作，更重要的是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”这个名字听起来很酷，但是这项工作实际上是由虚拟机在后台自动发起和自动完成的，在用户不可见的情况下把用户正常工作的线程全部停掉，这对于很多应用来说都是难以接受的。这个情况就好比：“你妈妈在给你打扫房间的时候，肯定也会让你老老实实地在椅子上或者房间外待着，如果她一边打扫，你一边扔纸削，这房间还能打扫完？”

对应的JVM参数：

对应的jvm参数是：-XX:=UseSerialGC。开启后会使用：Serial（Young区用）+Serial Old（Old区用）的收集器组合。表示新生代，老年代会使用串行回收收集器，新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

好处：

它是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。它也有着由于其他收集器的地方：简单而高效，对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有现成交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得很高的单线程收集效率。

2，ParNew 收集器：

ParNew收集器其实是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为跟Serial收集器完全一样。实际上，这两种收集器也公用了相当多的代码。

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先的新生代收集器。其中有一个与性能无关但很重要的原因是，除了Serial收集器以外，目前只有它能与CMS收集器配合工作。

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数量的增加，它对于GC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非常多的情况下，可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数

也就是使用多线程进行垃圾回收，在垃圾收集时，会stop-the-word暂停其他所有的工作线程直到它收集结束。

常用的JVM参数：

-XX:+UseParNewGC，启用ParNew收集器，只影响新生代的收集，不影响老年代。开启上述参数后，使用：ParNew（Young区用）+CMS（Old区用）的收集器组合，新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

3. 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，又是并行的收集器。

Parallel Scavenge 收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量。吞吐量：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，其中垃圾收集花掉了1分钟，那吞吐量就是99%。

高吞吐量：意味着高效利用CPU的时间，它多用于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。

（1）-XX: MaxGCPauseMillis参数（控制最大垃圾收集停顿时间）：

该参数允许的值时一个大于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。

不过大家不要认为如果把这个参数的值设置得稍微小一点就能使得系统的垃圾手机速度变得更快，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点，收集300B新生代肯定比手机500MB的快，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。停顿时间在下降，但是吞吐量也降下来了。

（2） -XX:GCTimeRatio参数（直接设置吞吐量大小）：

该参数的值应该是一个大于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。

由于与吞吐量关系密切，Parallel Scavenge 收集器也经常被称为“吞吐量优先”的收集器。

其他参数：

除了上述两个参数以外，Parallel Scavenge收集器还有一个参数，-XX:+UseAdaptiveSizePolicy。这是一个开关参数，当这个参数打开后，就不需要手动指定新生代的大小、Eden与Survivor区的比例等细节参数，虚拟机会根据当前系统的运行情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，这种调节方式称为GC自适应的调节策略

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不错的选择。

自适应调节策略是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，他同样是单线程收集器，使用“标记——整理”算法。

Serial Old收集器的主要意义是：用于在Client模式下的虚拟机使用。

如果在Server模式下，那么它主要还有两大用途：

在JDK1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用
作为CMS收集器的后备预案，在发生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。
这个收集器是在JDK1.6中才开始提供的，在此之前，新生代的parallel Scavenge收集器一直处于比较尴尬的状态。
- 原因是，如果新生代选择了parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old收集器外别无选择。由于老年代Serial Old收集器在服务端应用性能上的“拖累”，使用了Parallel Scavenge收集器也未必能在整体上获得吞吐量最大化的效果。
直到Parallel Old收集器出现后，“吞吐量优先”收集器终于有了比较名副其实的应用组合，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器

6. CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）：

CMS收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。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收集器是基于标记-清除算法的。分为4个步骤：

初始标记 ： “Stop The World”
并发标记：（和用户一起执行）
重新标记 ：“Stop The World”
并发清除：（和用户一起执行）

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：进行GC Roots Tracing的过程。（是和用户线程一起工作的，不需要暂停工作线程）
重新标记： 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要长一些，但远比并发标记的时间短。
并发清除：（和用户线程一起）：清除GC Roots不可达对象，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。基于标记结果，直接清理对象。

CMS虽然很好，但是仍然存在一些缺点：

第一个缺点：CMS收集器对CPU资源非常敏感，导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。
- 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而导致程序变慢，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小于25%的CPU资源，并且随着CPU数量的增加而下降。
- 当CPU不足时，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
第二个缺点：CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC产生
- 浮动垃圾的概念：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无法再次收集中处理掉它们，只好等待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为**“浮动垃圾”**
- 也就是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JDK1.5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，这是一个偏保守的设置，如果在应用程序中老年代增长不是太快，可以适当调高参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值来提高出发百分比
- 在JDK1.6中，CMS收集器的启动阈值已经提升至92%。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿的时间就很长了。所以说参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 设置得太高很容易导致大量“Concurrent Mode Failure”失败。
第三个缺点：这个收集器会产生很多空间碎片
- CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，在收集结束的时候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，不得不提前出发一次Full GC。为了解决这个问题，CMS提供了两个参数：-XX：UseCMSCpmpactAtFullCollection和-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction。
- 参数-XX：UseCMSCpmpactAtFullCollection：开关参数（默认是开启的），用于在CMS收集器顶不住要进行FullGC时开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但是停顿时间不得不边长。
- 参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：这个参数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时都进行碎片整理）

常用的JVM参数：

-XX:+UseConcMarkSweepGC，开启该参数后会自动将-XX:+UseParNewGC打开。开启该参数后，使用ParNew（Young区用）+CMS（Old区用）+Serial Old收集器组合。Serial Old将作为CMS出错的后备收集器。

小总结：
优缺点：

优点：并发收集停顿低
缺点：
并发执行，对CPU资源压力大
- 由于并发进行，CMS在收集与应用线程会同时增加对堆内存的占用，CMS必须要在老年代堆内存用尽之前完成垃圾回收，否则CMS回收失败时，将触发担保机制，串行老年代收集器将会以STW的方式进行一次GC从而造成大停顿时间
采用标记-清除会造成大量碎片

7. G1收集器（可预测停顿是其一大优势）：

G1收集器被视为JDK1.7中HotSpot虚拟机的一个重要进化特征。与其他GC收集器相比，G1收集器有如下特点：

并行与并发：缩短了“Stop The World”的时间
并行：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态
并发：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会是交替执行），用户程序再继续执行，而垃圾收集程序在运行于另一个CPU上
- G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU来缩短Stop The Wold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（与其他的收集器一样）
- 分代概念在G1收集器中依然得以保留。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货了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获得更好的收集效果
空间整合：不会产生空间碎片
- G1从整体上来看是基于“标记-整理”算法来实现的收集器，从两个Region之间上来看是基于“复制”算法实现的，但无论如何，这个算法都不会产生内存空间碎片，收集器能够提供规整的可用空间。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，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，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。

在G1之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这样。使用G1收集器时，Java堆的内存布局就与其他收集器有很大差别，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，但新生代和老年代不再是物理隔离了，他们都是一部分Region（不需要连续）的集合。

G1收集器可以建立可预测的停顿时间模型的原因：

因为它可以有计划地避免在整个java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪整个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需要时间的经验值），在后台维护一个优先队列，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。这种使用Region划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。

G1把内存“化整为零”思想存在的问题：

把java堆分为多个Region后，垃圾收集是否就真的能以Region为单位进行了？听起来顺理成章，再仔细想想就很容易发现问题所在：Region不可能是孤立的。一个对象分配在某个Region中，它并非只能被本Region中的其他对象引用，而是可以与整个java堆任意的对象发生引用关系。那在做可达性判断确定对象是否存活的时候，岂不是还得扫描整个java堆才能保证准确性？

另外有趣的一点， 将堆划分为若干个区域（ region），每个大小都为 2的倍数且大小全部一致，最多有 2000个。除此之外， G1专门划分了一个 Humongous区，它用来专门存放超过一个 region 50%大小的巨型对象。在正常的处理过程中，对象从一个区域复制到另外一个区域，同时也完成了堆的压缩。

G1收集器解决“化整为零”存在的问题的方法

在G1收集器中，Region之间的对象引用以及其他收集器中的新生代与老年代之间的对象引用，虚拟机都使用Remembered Set来避免全堆扫描的。G1中每个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作时，会产生一个Write Barrier暂时中断写操作，检查Reference引用的对象是否处于不同的Region之间（在分代例子中就是检查是否老年代中的对象引用了新生代的对象），如果是，便通过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根节点的美剧范围中假如Remembered Set即可保证不对全堆扫描也不会有遗漏。

如果不计算维护Remembered Set的操作，G1收集器的运作大概分为以下几个步骤：

初始标记
并发标记
最终标记
筛选回收

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，找出存活对象，这阶段耗时很长，但可与用户程序并发执行

最终标记阶段：

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，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，但是可以并行执行。

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

二、收集器总结：

三、垃圾收集器参数总结：

四、补几个问题：

1，CMS GC回收分为几个阶段？分别做了什么事情？CMS有哪些重要参数,CMS优缺点？

看过以上的笔记，则CMS回收分为几个阶段，分别做了什么事情，优缺点，有哪些重要参数都可以迎刃而解了。

这个参数的问题，在这里再写一下：

Serial：

Serial收集器使用了标记-复制的算法，可以用-XX:+UseSerialGC使用单线程的串行收集器 。但是在 GC进行时，程序会进入长时间的暂停时间，一般不太建议使用。

Parallel：

-XX:+UseParallelGC-XX:+UseParallelOldGCParallel也使用了标记-复制的算法，但是我们称之为吞吐量优先的收集器，因为 Parallel最主要的优势在于并行使用多线程去完成垃圾清理工作，这样可以充分利用多核的特性，大幅降低 gc时间。当你的程序场景吞吐量较大，例如消息队列这种应用，需要保证有效利用 CPU资源，可以忍受一定的停顿时间，可以优先考虑这种方式。

CMS ( ConcurrentMarkSweep)：

-XX:+UseParNewGC-XX:+UseConcMarkSweepGCCMS使用了标记-清除的算法，当应用尤其重视服务器的响应速度（比如 Apiserver），希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验，那么可以选择 CMS。CMS收集器在 MinorGC时会暂停所有的应用线程，并以多线程的方式进行垃圾回收。在 FullGC时不暂停应用线程，而是使用若干个后台线程定期的对老年代空间进行扫描，及时回收其中不再使用的对象。

G1（ GarbageFirst）：

-XX:+UseG1GC 在堆比较大的时候，如果 full gc频繁，会导致停顿，并且调用方阻塞、超时、甚至雪崩的情况出现，所以降低 full gc的发生频率和需要时间，非常有必要。G1的诞生正是为了降低 FullGC的次数，而相较于 CMS， G1使用了标记-压缩清除算法，这可以大大降低较大内存（ 4GB以上） GC时产生的内存碎片。

常用参数：

-XX:+UseSerialGC：在新生代和老年代使用串行收集器
-XX:+UseParNewGC：在新生代使用并行收集器
-XX:+UseParallelGC ：新生代使用并行回收收集器，更加关注吞吐量
-XX:+UseParallelOldGC：老年代使用并行回收收集器
-XX:ParallelGCThreads：设置用于垃圾回收的线程数
-XX:+UseConcMarkSweepGC：新生代使用并行收集器，老年代使用CMS+串行收集器
-XX:ParallelCMSThreads：设定CMS的线程数量
-XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器

2，垃圾收集器（Serial+ParNew+Parallel Scavenge+CMS+Serial Old+Parallel Old +G1）简单谈一谈。

看过以上笔记，这个问题也是迎刃而解的。

3，gc root 垃圾收集器（CMS+G1）简单谈一谈。

看过以上笔记，这个问题也是迎刃而解的。

4，如何选择垃圾收集器？

组合的选择：

单CPU或小内存，单机操作：
- -XX:+UseSerialGC
多个CPU需要最大吞吐量，如后台计算型应用：
- -XX:+UseParallel或-XX:+UseParallelOldGC
多CPU追求停顿时间，需快速响应，如互联网应用：
- -XX:+UseConcMarkSweepGC
- -XX:+ParNewGC

5，怎么查看服务器默认的垃圾收集器是哪个？生产上如何配置垃圾收集器的？谈谈你对垃圾收集器的理解？

①：怎么查看默认的垃圾收集器是哪个？（一般为-XX:+UseParallelGC)）

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version ( =>一般为-XX:+UseParallelGC)

②默认的垃圾收集器有哪些？

UseSerialGC,UseParallelGC,UseConcMarkSweepGC(CMS),UseParNewGC,UseParallelOldGC,UseG1GC

③垃圾收集器：

（1）部分参数预先说明：

DefNew—Default New Generation
Tenured–Old
ParNew–Parallel New Generation
PSYoungGen–Parallel Scavenge
ParOldGen–Parallel Old Generation

（2）Server/Client模式是什么意思？

适用范围：只需要掌握Server模式即可，Client模式用的不多
操作系统：

32位windows操作系统，不论硬件如何都默认适用Client的JVM模式
32位的其他操作系统，2G内存同时有2个CPU以上用Server模式，低于该配置还是Client模式
-64位 only server模式

（3）还有其他的怎样搭配，还有各自垃圾收集器的特点及分部过程在笔记中都已经写到了。

特别感谢并参考：

https://blog.csdn.net/xiaojie_570/article/details/80199053
java知音