深入理解JVM虚拟机-2垃圾收集器

这里讨论的收集器基于JDK 1.7 Update 14之后的HotSpot虚拟机。

如果两个收集器之间存在连线，说明可以搭配使用。虚拟机所处的区域，则表示它是属于新生代收集器还是年老代收集器。在这里我们先明确一个观点，我们只是比较各个收集器，并不是挑出一个最好的。因为知道现在为止还没有最好的收集器出现，没有万能的收集器。因为如果有万能的收集器，那么HotSpot虚拟机就没有必要实现这么多不同的收集器了。这能根据自己的系统挑选出最适合自己的收集器。

Serial收集器

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器，这个收集器是一个单线程收集器，但他的“单线程”的意义并不是仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集器线程去完成垃圾收集工作。更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的功罪线程，直到它收集结束。“Stop The World”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线程全部停掉，这对很多应用都是难以接受的。但这又是没有办法的。从Serial收集器到Parallel收集器再到Conmcrrrent Mark Sweep（CMS）乃至GC收集器的最前沿Garbage First（G1）收集器，用户线程的停顿时间在不断缩减，但是仍然没有办法完全消除，但是仍然没有办法完全消除。

到这里，Serial似乎给人一种“食之无味弃之可惜”的鸡肋了，但是，它依然是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。它有着优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。在用户桌面系统应用场景中，分配非虚拟机管理的内存一般不会很大，收集几十兆甚至一两百赵的  新生代，停顿时间完全可以控制在几时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:ServivorRatio、-XX:PretenureSizeThreshold、-XX:HandlePromotionFailure等)、手机算法，Stop The World、对象分配规则、回收策略都与Serial收集器完全一样，在实现上，这两种收集器也公用了相当多的代码。

ParNew收集器处理多线程收集外，其他与Serial收集器没有太多的创新，但它是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，其中有一个与性能无关但很重要的原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作，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:+UserParNewGC选项来强制指定它。

ParNew收集器在单核CPU的环境中对决不会有比Serial收集器更好的效果，甚至由于存在线程交互的开销，改手机器在通过超线程技术实现的两个CPU的环境中都不能百分百保证可以超越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参数来限定垃圾收集的线程数。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器。看上去和ParNew都一样，那它有什么特别之处呢？

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的缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。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，垃圾手机花掉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手机停顿时间的-XX:MaxGCPauseMillis以及直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeTatio参数。

MaxGCPauseMillis参数的值是一个大于0的毫秒数，收集器尽可能的保证内存回收花费的时间不超过设定值。不过不要认为把这个参数设置的越小垃圾手机越快。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些，手机300M肯定比500M快，但是导致原来10秒收集一次，每次停顿100毫秒，现在5秒收集一次，每次70毫秒。停顿时间确实在下降，但是吞吐量降低了。

GCTimeRatio参数的值应该是一个大于0且小于100的整数，也就是垃圾手机时间占总时间的比，相当于吞吐量的倒数。如果把次参数设为19，那允许的最大GC时间就占总时间的5%（即1 /（1+19）），默认值99。也就是允许最大1%的垃圾收集时间。

由于与吞吐量关系密切，Parallel Scavenge收集器也经常成为“吞吐量优先”收集器。除上述两个参数还有一个参数-XX:UseAdaptiveSizePolicy值得关注。这是一个开关参数，打开后，就不需要手动指定新生代的大小（-Xmn），Eden与Survivor的比例（-XX:SurvivorRatio）、晋升老年代对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等细节参数了。

Serial Old收集器

Seial 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。主要意义也是个Client模式下的虚拟机使用。在Server模式下，还有两大用途：一种是咋JDK1.5以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另一种就是作为CMS的后背预案，在并发手机发生Concurrent Mode Failure时使用。

Parallel Old收集器

Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。这个是JDK1.6提供的，在此之前，新生代的ParallelScavenge收集器一直处于尴尬的状态。原因是，如果新生代使用了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old（MarkSweep）收集器此外别无选择，由于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应用上获得吞吐量最大化的效果，由于单线程的老年代收集中无法充分利用服务器多CPU的处理能力，在老年代很大而且硬件比较高级的环境中，这种个组合还不一定有ParNew加CMS给力。

直到Parallel Old收集器出现，“吞吐量优先”收集器终于有了名副其实的组合，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。

CMS（Concurrent Mark Sweep）

CMS是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。是基于“标记-清除”算法实现的。整个过程分为4步：

• 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）

其中，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 Roots Tracing 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哪一步分队相当标记记录，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。由于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，所以，从总体来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的

但是还有缺点：

• CMS收集器对CPU资源非常敏感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最多占用不超过25%的CPU资源。但是当CPU不足4个时（譬如2个），那么CMS对用户程序的影响就可能变得很大，如果CPU负载本来就比较大的时候，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%，这也很让人受不了。为了解决这种情况，虚拟机提供了一种称为“增量式并发收集器”（Incremental Concurrent Mark Sweep / i-CMS）的CMS收集器变种，所做的事情和单CPU年代PC机操作系统使用抢占式来模拟多任务机制的思想一样，就是在并发标记和并发清理的时候让GC线程、用户线程交替运行，尽量减少GC线程的独占资源的时间，这样整个垃圾收集的过程会更长，但对用户程序的影响就会显得少一些，速度下降也就没有那么明显，但是目前版本中，i-CMS已经被声明为“deprecated”，即不再提倡用户使用。
• CMS收集器无法处理浮动垃圾。由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴随程序的运行自然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无法在本次收集中处理掉它们，只好留待下一次GC时再将其清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾（Floating Garbage）”。也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，即还需要预留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。在默认设置下，CMS收集器在老年代使用了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的值来提高触发百分比，以便降低内存回收次数以获取更好的性能。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，这时候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，这样停顿时间就很长了。所以说参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置得太高将会很容易导致大量“Concurrent Mode Failure”失败，性能反而降低。
• 收集结束时会产生大量空间碎片。CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，在收集结束时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的麻烦，往往会出现老年代还有很大的空间剩余，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。为了解决这个问题，CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数，用于在“享受”完Full GC服务之后额外免费附送一个碎片整理过程，内存整理的过程是无法并发的。空间碎片问题没有了，但停顿时间不得不变长了。虚拟机设计者们还提供了另外一个参数-XX: CMSFullGCsBeforeCompaction，这个参数用于设置在执行多少次不压缩的Full GC后，跟着来一次带压缩的。

G1 收集器

G1收集器具备如下特点：

• 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从整体看来是基于“标记-整理”算法实现的收集器，从局部（两个Region之间）上看是基于“复制”算法实现，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，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：这是G1相对于CMS的另外一大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点，但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）的垃圾收集器特征了。

　　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堆的内存布局与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的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
　　G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是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跟踪各个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时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回价值最大的Region（这也就是Garbage-First名称的来由）。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获可以获取尽可能高的收集效率。
　　G1把内存“化整为零”的思路，理解起来似乎很容易理解，但其中的实现细节却远远没有现象中简单，否则也不会从04年Sun实验室发表第一篇G1的论文拖至今将近8年时间都还没有开发出G1的商用版。笔者举个一个细节为例：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。那在做可达性判定确定对象是否存活的时候，岂不是还得扫描整个Java堆才能保障准确性？这个问题其实并非在G1中才有，只是在G1中更加突出了而已。在以前的分代收集中，新生代的规模一般都比老年代要小许多，新生代的收集也比老年代要频繁许多，那回收新生代中的对象也面临过相同的问题，如果回收新生代时也不得不同时扫描老年代的话，Minor GC的效率可能下降不少。 
　　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，虚拟机都是使用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之中（在分代的例子中就是检查引是否老年代中的对象引用了新生代中的对象），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，GC根节点的枚举范围中加入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）

　　对CMS收集器运作过程熟悉的读者，一定已经发现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，从Sun透露出来的信息来看，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。通过图1可以比较清楚地看到G1收集器的运作步骤中并发和需要停顿的阶段。

上面说了垃圾收集器，现在说说垃圾收集的具体步骤：

年轻代（Young Generation）

　　1.所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。

　　2.新生代内存按照8:1:1的比例分为一个eden区和两个survivor(survivor0,survivor1)区。一个Eden区，两个 Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。回收时先将eden区存活对象复制到一个survivor0区，然后清空eden区，当这个survivor0区也存放满了时，则将eden区和survivor0区存活对象复制到另一个survivor1区，然后清空eden和这个survivor0区，此时survivor0区是空的，然后将survivor0区和survivor1区交换，即保持survivor1区为空， 如此往复。

　　3.当survivor1区不足以存放 eden和survivor0的存活对象时，就将存活对象直接存放到老年代。若是老年代也满了就会触发一次Full GC，也就是新生代、老年代都进行回收

　　4.新生代发生的GC也叫做Minor GC，MinorGC发生频率比较高(不一定等Eden区满了才触发)

年老代（Old Generation）

　　1.在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。

　　2.内存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，当老年代内存满时触发Major GC即Full GC，Full GC发生频率比较低，老年代对象存活时间比较长，存活率标记高。

持久代（Permanent Generation）

　　用于存放静态文件，如Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。

G1收集器的步骤与这些不同，具体查看上面G1收集器。