Java12新特性 -- Shenandoah GC

Shenandoah 垃圾回收器是 Red Hat 在 2014 年宣布进行的一项垃圾收集器研究项目 Pauseless GC 的实现，旨在针对 JVM 上的内存收回实现低停顿的需求。该设计将与应用程序线程并发，通过交换 CPU 并发周期和空间以改善停顿时间，使得垃圾回收器执行线程能够在 Java 线程运行时进行堆压缩，并且标记和整理能够同时进行，因此避免了在大多数 JVM 垃圾收集器中所遇到的问题。

Shenandoah GC 主要目标是 99.9% 的暂停小于 10ms，暂停与堆大小无关等。

垃圾回收期的分类：

• 按线程数分，可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。
  • 串行回收指的是在同一时间段内只允许一件事情发生，简单来说，当多个CPU 可用时，也只能有一个CPU
    用于执行垃圾回收操作，井且在执行垃圾回收时，程序中的工作线程将会被暂停，当垃圾收集工作完成后
    才会恢复之前被暂停的工作线程，这就是串行回收。
  • 和串行回收相反，并行收集可以运用多个CPU 同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回
    收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用了“ Stop-the-world ”机制和复制算法。
• 按照工作模式分，可以分为并发式回收器和独占式垃圾回收器。
  • 并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间。
  • 独占式垃圾回收器（ Stop the world)一旦运行，就停止应用程序中的其他所有线程，直到垃圾回收过程完
    全结束。
• 按碎片处理方式可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。
  • 压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片。
  • 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。
• 按工作的内存区间，又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

如何评估一款GC的性能

• 吞吐量：程序的运行时间（程序的运行时间＋内存回收的时间）。
• 垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集器所占时间与总时间的比例。
• 暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间。
• 收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
• 堆空间： Java 堆区所占的内存大小。
• 快速： 一个对象从诞生到被回收所经历的时间。

Shenandoah GC工作原理：

其内存结构与 G1 非常相似，都是将内存划分为类似棋盘的region。整体流程与 G1 也是比较相似的，最大的区别在于实现了并发的 疏散(Evacuation) 环节，引入的 BrooksForwarding Pointer 技术使得 GC 在移动对象时，对象引用仍然可以访问。

Init Mark 启动并发标记阶段：

1. 并发标记遍历堆阶段
2. 并发标记完成阶段
3. 并发整理回收无活动区域阶段
4. 并发 Evacuation 整理内存区域阶段
5. Init Update Refs 更新引用初始化 阶段
6. 并发更新引用阶段
7. Final Update Refs 完成引用更新阶段
8. 并发回收无引用区域阶段

配置或调试 Shenandoah 的 JVM 参数:

1. -XX:+AlwaysPreTouch：使用所有可用的内存分页，减少系统运行停顿，为避免运行时性能损失。
2. -Xmx == -Xmsv：设置初始堆大小与最大值一致，可以减轻伸缩堆大小带来的压力，与 AlwaysPreTouch 参数配合使用，在启动时提交所有内存，避免在最终使用中出现系统停顿。
3. -XX:+ UseTransparentHugePages：能够大大提高大堆的性能，同时建议在 Linux 上使用时将
   /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled 和/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defragv 设置为：madvise，同时与 AlwaysPreTouch 一起使用时，init 和 shutdownv 速度会更快，因为它将使用更大的页面进行预处理。
4. -XX:+UseNUMA：虽然 Shenandoah 尚未明确支持 NUMA（Non-Uniform Memory Access），但最好启用此功
   能以在多插槽主机上启用 NUMA 交错。与 AlwaysPreTouch 相结合，它提供了比默认配置更好的性能。
5. -XX:+DisableExplicitGC：忽略代码中的 System.gc() 调用。当用户在代码中调用 System.gc() 时会强制
   Shenandoah 执行 STW Full GC ，应禁用它以防止执行此操作，另外还可以使用 -
6. XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent，在 调用 System.gc() 时执行 CMS GC 而不是 Full GC，建议在有
   System.gc() 调用的情况下使用。
   不过目前 Shenandoah 垃圾回收器还被标记为实验项目，如果要使用Shenandoah GC需要编译时--with-jvmfeatures选项带有shenandoahgc，然后启动时使用参数
7. -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC