垃圾收集器



收集算法是内存回收的方法论,垃圾收集器就是内存回收的具体实现。


HotSpot虚拟机的垃圾收集器:

垃圾收集器_用户线程

相关概念:


  1. 并行(Parallel):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。
  2. 并发(Concurrent):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。

Serial收集器

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器,曾经(在JDK 1.3.1之前)是虚拟机新生代收集的唯一选择。它是一个单线程的收集器,只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作,更重要的是在它进行垃圾收集器时,必须暂停其他所有线程的工作线程,知道它收集结束。

Serial/Serial Old收集器运行示意图:

垃圾收集器_垃圾收集_02

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


  1. 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。
  2. 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。

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、-X X:P retenureSizeThreshold、-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收集器的工作过程:

垃圾收集器_垃圾收集器_03

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


只有它能与CMS收集器配合工作。
在CPU非常多的环境下,可以使用-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,它的特点是目标是达到一个可控制的吞吐量。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。由于与吞吐量关系密切,Parallel Scavenge收集器也经常称为“吞吐量优先”收集器。


吞吐量: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%。


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、直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio参数和自适应调节的-XX:+UseAdaptiveSizePolicy参数。


  1. 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。
  2. 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。
  3. UseAdaptiveSizePolicy参数打开之后,就不需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(GC Ergonomics)。

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。

Serial Old收集器

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

功能:


  1. 给Client模式下的虚拟机使用。
  2. 在Server模式下,在JDK 1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用,也可以作为CMS收集器的后备预案,在并发收集发生ConcurrentMode Failure时使用。

Serial/Serial Old收集器运行示意图

垃圾收集器_垃圾收集_04

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。主要用于

Parallel Old收集器的工作过程示意图:

垃圾收集器_用户程序_05

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。它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。

CMS收集器是基于“标记—清除”算法实现的,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:


  1. 初始标记(CMS initial mark)
    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。
  2. 并发标记(CMS concurrent mark)
    并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程。
  3. 重新标记(CMS remark)
    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。
  4. 并发清除(CMS concurrent sweep)
    整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程都可以与用户线程一起工作。

其中,初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。从总体上来说,CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

Concurrent Mark Sweep收集器运行示意图:

垃圾收集器_垃圾收集器_06

CMS收集器的优点:

并发收集、低停顿,整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程都可以与用户线程一起工作。

CMS收集器的缺点:


  1. 对CPU资源非常敏感。
  2. 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。
    浮动垃圾: 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。
  3. 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FullGC。

G1收集器

G1(Garbage-First)收集器是当今收集器技术发展的最前沿成果之一,被视为JDK 1.7中HotSpot虚拟机的一个重要进化特征。

特点


G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器。


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,可以通过并发的方式让Java程序继续执行。

分代收集

可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆,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

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,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,分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。

可预测的停顿

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,这几乎已经是实时Java(RTSJ)的垃圾收集器的特征了。

步骤

运行示意图:

垃圾收集器_垃圾收集_07

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


  1. 初始标记
    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。
  2. 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,但可与用户程序并发执行。
  3. 最终标记
    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。
  4. 筛选回收
    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,这个阶段其实也可以做到与用户程序一起并发执行,但是因为只回收一部分Region,时间是用户可控制的,而且停顿用户线程将大幅提高收集效率。