JVM垃圾回收（二）- Minor GC vs Major GC vs Full GC

Minor GC vs Major GC vs Full GC

垃圾回收的活动会清理对内存中的不同区域，这些事件一般被称为Minor，Major以及Full GC events。本章我们会讨论这些清理事件的不同之处，当然，这些差别对我们来说并不是最重要的。

通常来说，对我们更有意义的是：应用是否满足了它的SLA，因为用户会监控应用的latency以及throughput。也只有在这个时候，GC events才与此有了关联。而对于GC事件来说，其中最重要的部分是：它们是否将应用 stop了，以及这个stop持续的时间。

Minor，Major以及Full GC这些术语早已被广泛使用，但是暂时对它们没有一个合适的定义，我们首先从对这三种GC events的介绍入手：

Minor GC

从Young space 做垃圾回收，称为Minor GC。这个定义确实比较清晰并且被广泛接受，但如果进一步对此做解释的话，有以下几点值得注意：

1. 当JVM无法为一个新对象分配空间时（例如，Eden区域快满了），Minor GC一定会被触发。所以如果分配（allocation）操作越频繁，则Minor GC也会越频繁
2. 在Minor GC 阶段，Tenured Generally会被忽略掉。从Tenured Generation到Young Generation的引用会被认定为GC roots。从Young Generation 到Tenured Generation的引用在mark 阶段会直接被忽略。
3. 与普遍观点不同的一点是，Minor GC实际上会触发 stop-the-world pauses，暂停application的线程。对大部分应用来说，如果在Eden中，大部分对象被认为是垃圾，并且不会被复制到Survivor 或 Old 空间的话，应用暂停时间的长度基本可以忽略不计。反之，如果大部分年轻的对象并不会被回收，则Minor GC的暂停会花费更多的时间

Major GC vs Full GC

其实对这些属于其实没有一个官方的定义（无论是JVM中还是GC的研究论文中），不过基于我们刚刚介绍的Minor GC来看的话，对Major GC以及Full GC的定义可以简单的描述为：

1. Major GC：清理Old空间
2. Full GC：清理整个堆空间（包括Young 以及 Old 空间）

当然，里面具体的过程会更为复杂，而且大部分Major GC是由Minor GC 触发的，所以在很多情况下也不会将它们分开单独讨论。不过相对于辨别一个GC是Major GC还是Full GC，我们更应该关注的是：当前的GC事件是否暂时停掉了应用的线程，还是说可以与应用中的线程同时并发执行？

这个疑问甚至可以被内建于JVM标准工具上，对此，我们来看一个例子以做进一步解释。我们会使用两个不同的工具来跟踪一个运行了Concurrent Mark and Sweep collector（使用参数 -XX:+UseConcMarkSweepGC）的JVM，并比较它们的输出。

首先我们通过jstat的输出查看一下内部情况：

java -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseConcMarkSweepGC com.test.MyApplication

上面的片段是从一个运行了17s的JVM中获取的，我们可以看到12次Minor GC 后，发生了两次Full GC，持续大约一共50ms左右。你也可以通过基于GUI的工具如 jconsole 或 jvisualvm 查看这些输出。

然后我们看一下从同一个JVM里获取的GC输出日志。可以通过 -XX:+PrintGCDetails 开启GC日志：

java -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseConcMarkSweepGC com.test.MyApplication

日志内容可以提供更多相关信息：

3.157: [GC (Allocation Failure) 3.157: [ParNew: 272640K->34048K(306688K), 0.0844702 secs] 272640K->69574K(2063104K), 0.0845560 secs] [Times: user=0.23 sys=0.03, real=0.09 secs]

4.092: [GC (Allocation Failure) 4.092: [ParNew: 306688K->34048K(306688K), 0.1013723 secs] 342214K->136584K(2063104K), 0.1014307 secs] [Times: user=0.25 sys=0.05, real=0.10 secs]

... cut for brevity ...

11.292: [GC (Allocation Failure) 11.292: [ParNew: 306686K->34048K(306688K), 0.0857219 secs] 971599K->779148K(2063104K), 0.0857875 secs] [Times: user=0.26 sys=0.04, real=0.09 secs]

12.140: [GC (Allocation Failure) 12.140: [ParNew: 306688K->34046K(306688K), 0.0821774 secs] 1051788K->856120K(2063104K), 0.0822400 secs] [Times: user=0.25 sys=0.03, real=0.08 secs]

12.989: [GC (Allocation Failure) 12.989: [ParNew: 306686K->34048K(306688K), 0.1086667 secs] 1128760K->931412K(2063104K), 0.1087416 secs] [Times: user=0.24 sys=0.04, real=0.11 secs]

13.098: [GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 897364K(1756416K)] 936667K(2063104K), 0.0041705 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs]

13.102: [CMS-concurrent-mark-start]

13.341: [CMS-concurrent-mark: 0.238/0.238 secs] [Times: user=0.36 sys=0.01, real=0.24 secs]

13.341: [CMS-concurrent-preclean-start]

13.350: [CMS-concurrent-preclean: 0.009/0.009 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs]

13.350: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]

13.878: [GC (Allocation Failure) 13.878: [ParNew: 306688K->34047K(306688K), 0.0960456 secs] 1204052K->1010638K(2063104K), 0.0961542 secs] [Times: user=0.29 sys=0.04, real=0.09 secs]

14.366: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.917/1.016 secs] [Times: user=2.22 sys=0.07, real=1.01 secs]

14.366: [GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 182593 K (306688 K)]14.366: [Rescan (parallel) , 0.0291598 secs]14.395: [weak refs processing, 0.0000232 secs]14.395: [class unloading, 0.0117661 secs]14.407: [scrub symbol table, 0.0015323 secs]14.409: [scrub string table, 0.0003221 secs][1 CMS-remark: 976591K(1756416K)] 1159184K(2063104K), 0.0462010 secs] [Times: user=0.14 sys=0.00, real=0.05 secs]

14.412: [CMS-concurrent-sweep-start]

14.633: [CMS-concurrent-sweep: 0.221/0.221 secs] [Times: user=0.37 sys=0.00, real=0.22 secs]

14.633: [CMS-concurrent-reset-start]

14.636: [CMS-concurrent-reset: 0.002/0.002 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

根据以上日志内容，我们可以看到在多次Minor GC后，一个与Minor GC不同的事件发生了。但是这里我们并没有看见两轮的Full GC 事件，而仅仅是一轮在Old 空间上发生的GC事件，由多个阶段组成：

1. Initial Mark 阶段，耗时0.0041705，大约4ms。这个阶段是一个stop-the-world 事件，会暂时停止所有应用线程，以做初始的marking
2. Markup and Preclean阶段与应用里的线程并行执行
3. Final Remark 阶段，耗时0.00462010，大约46ms，这个阶段也是一个stop-the-world 事件
4. Sweep 操作会被并行执行，不会停止应用的线程

所以从实际的垃圾回收日志来看，相对于之前jstat里查看到的两轮Full GC，其实真正发生的只有一次清理Old 空间的Major GC。

不过若单从jstat的输出来看，jstat其实已经将你引入了正确的（优化）决策方向，因为它完整的列出了两次stop-the-world事件（第一次4ms，第二次46ms），这两次事件对当时正在运行的线程产生了一共大约50ms的影响。并且jstat的输出已完全隐藏了并行任务的工作。

References:

https://plumbr.io/java-garbage-collection-handbook