java虚拟机入门（五）- 常见垃圾回收器及jvm实现

　　上节讲完了垃圾回收的基础，包括java的垃圾是什么，如何寻找以及常用的垃圾回收算法，那么那么多的理论知识讲完了，具体是什么样的东西在做着回收垃圾的事情呢？我们接下来就好好聊聊jvm中常用的垃圾回收器。

　　一、常用的垃圾回收器

　　这是我花了10几分钟画的一张图，灰色表示已经被淘汰，蓝色表示依然健壮，黄色表示冲劲十足，毕竟是第一个吃螃蟹的，红色表示十分火热，其实应该还有一个亮红色表示ZGC。俩俩之间的连线表示两者之间的关系，Serial可以和Serial Old 或者CMS组合，ParNew可以和SerialSerial Old 或者CMS组合，以此类推。老年代之间按道理不应该有联系，但是Serial Old 和 CMS却相连，原因我们待会分析完了再看。

　　1.Serial/Serial Old 

　　　　jvm最早时代的垃圾回收器套装，他的回收思路也很简单，如下图，用户线程跑，1.对象持续往新生代塞，2.新生代满，3.暂停用户线程，4.垃圾回收，5.恢复用户线程，老年代同理，这种方式在当年单核cpu打天下我觉得不仅仅是技术的不够成熟，即便相比现有的垃圾回收器，依然是最合适的。但是对于现在多核，大内存来说，已经很鸡肋了。

　　　　　　　　　　

　　　　优点：由于单线程没有线程上下文切换，简单高效，在单核cpu下效率高

　　　　缺点：随时会发生STW(stop the world)，影响用户体验，而且同样是由于单线程，多核情况下回收效率没有其他多线程垃圾回收器高，导致用户线程暂停时间长，影响使用感受。

　　STW(stop the world)：刚才说到了就来解释一下，防止有同学看不懂，看英文全称，翻译过来就是停止世界，对于程序来说，就是将所有线程全部暂停，这样会导致暂停时间用户请求无法得到发聩，严重影响用户体验。

　　2.Parallel Scavenge （ParallerGC ）/Parallel Old 

　　　　从jdk1.3开始，jvm使用了多线程的垃圾回收机制以提高回收效率，与Serial/Serial Old 垃圾回收器相比，最大的区别便是在垃圾回收时使用了多线程处理，是一款关注吞吐量的垃圾回收器（吞吐量= 程序运行时间 / (程序运行时间+垃圾回收时间) ）,更加适合纯后台运算任务。

　　　　优点 : 作为多线程，关注吞吐量的一款垃圾回收器，相比其他单线程或者更加关注于用户体验减少STW而言，效率最高。老年代使用标记整理算法，不会产生浮动垃圾

　　　　 缺点：随时会发生STW(stop the world)，影响用户体验

　　3.ParNew 和 CMS（Concurrent Mark Sweep）

　　　　ParNew和serial垃圾回收器一样，都是做新生代的垃圾回收，而且在处理逻辑上基本也是一样的，唯一的区别就是ParNew是多线程多CPU的，所以垃圾回收的效率要比serial要高，两者都可以搭配CMS使用（不过基本还是用ParNew搭配），

　　　　CMS是第一款并发垃圾回收器（即在垃圾回收的同时用户线程也在跑），虽然逐渐被G1所淘汰，但其并发回收的思想，还是值得学习的：

　　　　

　　　　CMS收集器是基于 标记-清除 算法实现的，整个过程主要分为4步：

　　　　　　　　初始标记：暂停用户线程，标记GCRoot直接关联的对象，此步骤时间短暂，速度很快

　　　　　　　　并发标记：这一步用户线程和GC线程同时运行，标记所有根可达对象，这一步耗时较长，所以使用并发标记，不影响用户使用。

　　　　　　　　重新标记：修正刚才并发标记时，用户线程产生的额外垃圾。

　　　　　　　　并发清除：这一步也是和用户线程同时运行，清除刚才标记的垃圾。

　　　　上面四步除了初始标记和重新标记，都不会影响用户的正常使用，而且这两步标记时间都很短暂，所以整体上来说对用户的使用影响很小。

　　　　优点：STW时间很短，用户体验良好。

　　　　缺点：1.由于垃圾回收器会和用户线程一起使用，所以在垃圾回收的同时，资源会被占用，导致用户量很大时，会导致资源不足。　　

　　　　　　　2.由于CMS在最后回收的同时和用户线程并发运行，在这期间产生的垃圾无法得到回收，会产生浮动垃圾，当内存无法存下浮动垃圾时，jvm会临时使用Serial Old代替，而单线程的Serial Old回收效率很低，所以发生这种情况时，系统会很卡，应该考虑是否需要调整参数或者换垃圾回收器了。

　　　　　　   3. 由于使用标记清除，无法得到规整的内存空间，会产生空间碎片，当有大对象无法存放时，需要进行内存碎片整理，又得进行垃圾回收，而CMS这样还是无法解决问题，因此CMS提供了参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，如果无法分配，则使用Serial Old代替，同样也会出现上述卡顿的问题。

　　　　问题点：为啥CMS不用标记-整理

　　　　　　因为标记整理算法会涉及到对象的移动，对象移动时，对象的引用需要重新计算，这个时候是没有办法和用户线程同时进行工作的（毕竟很有可能用户线程运行的时候没准就找不到对象了），这个必须要暂停业务线程来处理，这会使得STW的时间更长，而CMS设计初衷就是要减少STW的时间。

　　4.Garbage First(G1)

　　　　我在之前的文章中也提到过现在的jvm设计理念更多的是用空间换时间，提升系统的响应能力，提升用户体验，G1的设计思想就是将提升用户体验放在第一位，解决STW过长的问题，而且更加变态的是，G1可以预测STW的时间，将STW控制在一个可接受范围内。为了做到这一点，它打破堆内存新生代老年代的物理分割，将内存重新分割成，化整为零，我们先看一下它的变化：

　　　　前面介绍的垃圾回收器内存分区都是这样的：

　　　　　　　　

　　　　而G1的内存分区是这样的：

　　　　　　　　

　　　　可以看到G1分割成了很多相同大小的内存块（Region），这些内存卡有时候可以是Eden区，有时候也可以是Survior区，有时候可以是老年代Old区,还单独划分了一块Humongous区域，用来存放大对象（G1将超过一块Region一半以上的对象称为大对象，一块区域存储不下的超级大对象使用连续的Humongous区域存储）。

　　　　G1的垃圾回收过程和CMS比较相似，思想上基本是一致的：

　　　　　　初始标记：标记一下GCRoot直接关联的对象（STW）　　　　　　

　　　　　　并发标记： 和用户线程一起，标记出所有GCRoot关联到的对象，这个时候会有一些并发标记时用户线程产生的垃圾无法回收。

　　　　　　重新标记：为了标记前一步并发标记产生的漏标对象，时间很短 （STW）

　　　　　　筛选回收：更新统计数据，对各个Region区域的回收价值和回收成本进行排序（咋排的还没研究过），然后根据配置的期望停顿时间制定回收计划，将要回收的区域的存活对象移到空Region中，清除掉计划回收区域所有对象，将存活对象引用指向新地址。虽然不能保证每次回收都在配置时间内，但是大部分都是可以的。标记整理涉及到对象移动，所以必须要STW。

　　　　　　这里其实我一开始觉得CMS的算法其实挺好的，但是会产生浮动垃圾和内存碎片，G1无法解决STW的问题，但是却使用可控时间的算法，控制STW在用户可接受范围内，也算是一种曲线救国的方式吧。

　　　　　　

　　　　总结：

　　　　　　这篇主要介绍了我们常见的垃圾回收器，从最古老的单线程，到多线程，到并发回收的垃圾回收器，可以看到变化的趋势，还是多线程，大内存，加速垃圾回收效率，减少STW时间，随着计算机的发展，我觉得后面肯定会在多核大内存的基础上做文章，最终发展为用户线程跑的同时，垃圾回收器同时执行回收，完全不影响程序运行，通过类似三色标记的方式，做到实时标记，实时回收。不过以上仅为个人猜想，期待着java的发展吧。