Java GC - 垃圾回收机制

1、简介

对于Java developer来说，了解JVM GC工作原理能够帮助我们开发出更优秀的应用，同时在处理JVM瓶颈时能够更加自由。在最近一年的应用开发中能体会到这些知识带来的好处，并且让我们的应用在较大规模的并发时能够良好的工作。

本文部分知识和图片来源于书籍《Java Performance》 - Charlie Hunt & Binu John 著，该书全面讲解了Java 应用的性能分析、优化点与JVM原理等知识，本文(以及稍候的一些文章)只包含 GC collector 的部分知识，另外也只是针对常用的HotSpot JVM，当然很多知识是相通的。

2、 JVM Overview

上图为JVM的概要构架，主要分为 VM Runtime、GC Collector以及 JIT Compiler，其中我们能通过配置干预的只有GC 和 JIT(通过-server 和 -client选择不同的 JIT Compiler，其中-server在启动完成后具有更好的性能，但是花费启动时间稍长些 -- 虽然我们没明显感觉)。

下图则是JVM中内存分区模型，即分为 Heap area, method area, VM stack, native method stack和PC register。

本文只关注GC collector所涉及的Heap area 和 Method area, 其他的可另外了解。

3、Garbage Collections

在GC 中，最 ”引人入胜“ 的是 "stop-the-world"，它在目前所实现的GC算法中都将出现，它出现的时候JVM 所承载的应用程序将停止执行，也就是说我们的应用中的所有线程将停止响应，直到 "stop-the-world" 完成工作。

HotSpot VM把 Heap Area分为 young generation 和 old generation两个物理区域，也就是我们常翻译为：年轻代和年老代。它们有以下特征：

1. 年轻代：大部分对象在这里分配，通常来说会进行比较小但是比较频繁的回收，花费时间较短。

2. 年老代：内存相对较大，对象会相对保留比较长的时间，大对象也一般分配在此，占用空间上升缓慢并且回收频率低，"stop-the-world" 会在它回收时发生，花费较长的时间。

如下图中，对象在年轻代分配，经过一些时间后可能会被移到年老代。其中的permanent generation为持久区，主要存放元数据如class data structures, interned strings等信息。GC 重点在于 young gen 和 old gen的回收。

3.1 Young generation

Young generation 有更细的划分，分为 Eden 和 2个survivor space(即幸存区) 如下图：

1. The eden: 大部分新对象在这里分配，有些大对象直接在年老区分配，这个区域进行回收后很多情况下会变空。

2. The two survivor spaces：Eden 区满时会将仍然存活的对象复制至其中一个survivor区，当这个区又满时将复制至另外一个survivor区，如下图：

3.2 Garbage Collectors

HotSpot 目前有三种可用的回收器: Serial GC, Parallel GC 和 Concurrent Mark-Sweep(CMS GC)，回收类型分为mirror GC 和 major GC(也叫做Full GC)，mirror GC针对young generation，major GC针对 old generation。

注：查询应用使用的垃圾回收与内存分配情况使用：jmap -heap [PID]，其中PID为进程ID，稍候的文章会可能会有示例。

3.2.1 Serial GC

当Java 应用启动时如果加入-client 参数则使用这个回收器(如果不指定会根据官方的判断方法(如CPU核数，内存大小等)来决定使用 -server还是 -client，详情请查询官方资料)，在目前的硬件配置来说，指定-server是大部分场景所需。

该回收器的特点是单线程回收(在这个多核时代明显很少被选择)，mirro GC和major GC都需要暂停应用(即stop-the-world)

，如下图：

3.2.2 Parallel GC

在parallel GC 中，minor 和 full GC 都是并行的，可使用多核并行回收，可指定使用多少线程，能很好改善应用吞吐量，一般的机器配置中，如果不指定所使用的GC collector，一般默认为 Parallel GC，它符合大多数应用场景。如下图：

3.2.3 CMS GC

该回收器的出现主要应对低响应延时的应用场景，即  stop-the-world 一旦发生，应用将停止响应直到它工作完成，这情况在很多WEB、电信或银行应用中尤为关键。虽然 major GC很少发生，但是一旦发生将耗时较长，特别是在Heap很大的时候(也就是我们为什么不能让Heap分配很大的原因，适当即可，可有效分散GC暂停的时间使得不会感到明显卡顿)。

CMS GC 旨在减少应用的响应时间（但会牺牲一些吞吐量），由于延长了GC的工作周期，所以有更大的heap区要求(在marking pause阶段仍然允许分配内存)，它同时具有更复杂的算法，CMS GC在管理 young generation方面与 Serial/Parallel GC一样(通过参数指定，稍候的文章中会有详解)，在管理 old generation 采用2个周期来回收以减少应用暂停时间，如下图：

大致动作描述分为：

1. Initial mark，标记在old generation之外的所有可直接抵达的对象(如静态对象、线程栈等)。

2. Concurrent marking phase，在这个阶段标记所有可抵达的(直接或间接)存活对象，在这个阶段应用是不需要停止的，标记线程和应用线程同时工作。

3. Concurrent pre-cleaning为了减轻Remark pause步骤的工作，如访问在making phase阶段被更改的引用，虽然Remark pause还是会做这工作，但是它能显著地减少Remark pause的持续时间。

4. Remark pause，由于应用工作时会不停地更新引用，所以最后还是需要暂停应用来彻底标记，这步骤重新检查前一步骤(Concurrent marking phase)到暂停这时间段内更新的引用。

5. Concurrent sweeping phase，这步骤已经知道了所有在old generation存活的对象，将重新整理内存和释放不可达对象(如下图b所示)，释放后标识空闲空间，但他们是不连续的(Serial和parallel GC 则采用下图a的压缩方式)，所以将导致在old generation分配内存代价比较昂贵。Marking pause阶段能保证标记在这阶段存活的对象，但不能保证所有不可达的对象能被清理，如果本次回收不能清理，则下次Full GC的时候将被回收。

最后谈内存碎片问题：由于缺少内存压缩将使得内存碎片化，CMS 提供压缩周期，这周期也是stop the world，和serial、parallel GC 相似。使用-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction参数指定full GC 多少次后进行内存压缩，默认为0，一般可设置为1，稍候的文章中会有相关GC的参数详解。

3.2.4 The Garbage-First GC

G1 GC 未来将作为 CMS GC 的一种替代(在Java 6 update 20 or later和 Java 7中才具有)， 它可指定GC导致的应用停止时间，有不同的内存分布，提高应用实时性，但该GC 未经过大量的生产环境应用验证，目前只作为实验性特征使用。

关于这几个GC行为对比如下图：

4. 总结

JVM 调优主要在3点：

1. 选择合适的 GC collector.

2. 指定合适的 heap area大小.

3. 指定young generation的比例(或大小)，它影响到 Full GC发生的频率以及应用暂停时间.