JVM系列（三）之GC

什么是GC

Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）机制，是Java与C++/C的主要区别之一，作为Java开发者，一般不需要专门编写内存回收和垃圾清理代码，对内存泄露和溢出的问题，也不需要像C程序员那样战战兢兢。这是因为在Java虚拟机中，存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括地说，该机制对JVM（Java Virtual Machine）中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据一定的回收策略，自动的回收内存，永不停息（Nerver Stop）的保证JVM中的内存空间，防止出现内存泄露和溢出问题。

在Java语言出现之前，就有GC机制的存在，如Lisp语言），Java GC机制已经日臻完善，几乎可以自动的为我们做绝大多数的事情。然而，如果我们从事较大型的应用软件开发，曾经出现过内存优化的需求，就必定要研究Java GC机制。

简单总结一下，Java GC就是通过GC收集器回收不在存活的对象，保证JVM更加高效的运转。

关于Young GC、Major GC 与 Full GC的误解

关于Full GC，容易有误解，以为是堆全部年代内存GC；其实”Full” 并不是用来区分新生代GC和老年代GC，只是表示这次GC发生了”Stop The World(STW)”,而Major GC（老年代GC）就会发生“Stop The World”，固Major GC也称为Full GC. 换句话说通常老年代的GC通常伴随着Full GC的现象“Stop The World”。所以Major GC等价于Full GC.

根据GC作用的区域

如何判断对象是否可以回收

怎么判断一个对象是否可以回收呢，可以通过以下两个条件判断：

引用计数

每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。

可达性分析（Reachability Analysis）

从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的、不可达对象。即是可以可以回收的对象。

在Java语言中，GC Roots包括：
　　虚拟机栈中引用的对象。
　　方法区中类静态属性实体引用的对象。
　　方法区中常量引用的对象。
　　本地方法栈中JNI引用的对象。

GC的算法

GC的过程可以看成是个对象的判断是否存活并清理的过程。而对于JVM的不同内存区，使用的GC算法也有不一样。 
下面是几种GC算法的实现：

标记 -清除算法（Mark-Sweep）

“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。之所以说它是最基础的收集算法，是因为后续的收集算法都是基于这种思路并对其缺点进行改进而得到的。

它的主要缺点有两个：

　　一个是效率问题，标记和清除过程的效率都不高；

　　另外一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法（Copying）

“复制算法（Copying） 就是将内存划分为两个相等的内存空间，每次只使用其中一块，当其中一块内存满时，将依然存活的对象复制移动到另外一块空的内存，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。 
优点：这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。 
缺点：这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，持续复制长生存期的对象则导致效率降低。 
更关键的是，一些对象一直存活导致存活对象已经超过了内存的一半，就需要有额外的空间（）进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。

标记-压整理法（Mark-Compact）

上面提到的复制算法（Copying）缺点不适合老年代，那么老年代的垃圾该怎么回收呢，那么有人在标记 -清除算法（Mark-Sweep）基础上提出了标记-压整理法（Mark-Compact），过程仍然与标记-清理算法一样，不同的是，后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法（Generational Collection）

分代收集算法，是以上几种算法的结合使用，将内存划分为几个区，结合每一块内存的功能和对象生存周期，为每块区域使用不通的收集算法，实现垃圾收集的效率最大化。 
GC分代的基本假设：绝大部分对象的生命周期都非常短暂，存活时间短。

“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

GC垃圾收集器（GC算法的实现）

上面介绍了GC的收集算法，那么GC的算法实现就是GC垃圾收集器

目前JDK七种垃圾收集器: 
1. Serial（串行GC）– 复制,作用于年轻代 
2. ParNew（并行GC）– 复制,作用于年轻代 
3. Parallel Scavenge（并行回收GC）– 复制,作用于年轻代 
4. Serial Old（MSC）（串行GC）– 标记-整理,作用于老年代（或永久代） 
5. CMS（并发GC）– 标记-清除,作用于老年代（或永久代） 
6. Parallel Old（并行GC）–标记-整理，作用于老年代（或永久代） 
7. G1（JDK1.7update14才可以正式商用），G1独立完成”分代垃圾回收”

Serial收集器

串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器，可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收。新生代、老年代使用串行回收；新生代复制算法、老年代标记-压缩；垃圾收集的过程中会Stop The World（服务暂停）

参数控制：-XX:+UseSerialGC 串行收集器

ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。新生代并行，老年代串行；新生代复制算法、老年代标记-压缩

参数控制：

-XX:+UseParNewGC ParNew收集器 
-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

Parallel收集器

Parallel Scavenge(PS)收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。可以通过参数来打开自适应调节策略，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量；也可以通过参数控制GC的时间不大于多少毫秒或者比例；新生代复制算法、老年代标记-压缩；年轻代并行，老年代串行

参数控制：-XX:+UseParallelGC 年轻代使用Parallel收集器

Parallel Old 收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记－整理”算法。这个收集器是在JDK 1.6中才开始提供,老年代并行(多线程)的垃圾收集方式

参数控制： -XX:+UseParallelOldGC 老年代使用Parallel并行收集器

-XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCDetails -Xloggc:d:\UseParallelOldGC.log -Xmx128M -XX:+UseParallelOldGC

CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用都集中在互联网站或B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。

从名字（包含“Mark Sweep”）上就可以看出CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的；”Concurrent”的意思是并发，指的是垃圾收集线程与程序应用线程并发执行，而不是像之前介绍的垃圾收集器虽然使用多线程收集，但还是会Stop the world（挂起所有应用线程）。 
它的运作过程相对于前面几种收集器来说要更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括：

• 1.初始标记(CMS-initial-mark),从root对象开始标记存活的对象
• 2.并发标记(CMS-concurrent-mark)
• 3.重新标记(CMS-remark),暂停所有应用程序线程，重新标记并发标记阶段遗漏的对象（在并发标记阶段结束后对象状态的更新导致）
• 4.并发清除(CMS-concurrent-sweep)
• 5.并发重设状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)。

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那一部分对象的标记记录，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中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发地执行。老年代收集器（新生代使用ParNew）,收集范围是Old gen（老年代），Yong gen(年轻代)任然使用ParNew的收集方式。

优点: 并发收集、低停顿 
缺点: 产生大量空间碎片、并发阶段会降低吞吐量

参数控制：

-XX:+UseConcMarkSweepGC 使用CMS收集器 
-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后，进行一次碎片整理；整理过程是独占的，会引起停顿时间变长 
-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 设置进行几次Full GC后，进行一次碎片整理 
-XX:ParallelCMSThreads 设定CMS的线程数量（一般情况约等于可用CPU数量）

G1收集器

G1是目前技术发展的最前沿成果之一，HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK1.5中发布的CMS收集器，最新发布的JDK1.9默认用的就是G1收集器。与CMS收集器相比G1收集器有以下特点：

1. 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。
2. 可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，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N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）的垃圾收集器的特征了。

上面提到的CMS收集器，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阂了，它们都是一部分（可以不连续）Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew类似，当新生代占用达到一定比例的时候，开始出发收集。和CMS类似，G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。

收集步骤：

• 1、标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)
• 2、Root Region Scanning，程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC之前完成。
• 3、Concurrent Marking，在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

• 4、Remark, 再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

• 5、Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。

• 6、复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。

G1收集器参数控制：

-XX:+UseG1GC #开启；
-XX:MaxGCPauseMillis = #暂停时间目标；
-XX:GCPauseIntervalMillis = #暂停间隔目标；
-XX:+G1YoungGenSize=512m #年轻代大小；
-XX:SurvivorRatio= #幸存区比例

常用的收集器组合

服务器31	新生代GC策略	老年老代GC策略	说明
组合1	Serial	Serial Old	Serial和Serial Old都是单线程进行GC，特点就是GC时暂停所有应用线程。
组合2	Serial	CMS+Serial Old	CMS（Concurrent Mark Sweep）是并发GC，实现GC线程和应用线程并发工作，不需要暂停所有应用线程。另外，当CMS进行GC失败时，会自动使用Serial Old策略进行GC。
组合3	ParNew	CMS	使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。ParNew是Serial的并行版本，可以指定GC线程数，默认GC线程数为CPU的数量。可以使用-XX:ParallelGCThreads选项指定GC的线程数。如果指定了选项-XX:+UseConcMarkSweepGC选项，则新生代默认使用ParNew GC策略。
组合4	ParNew	Serial Old	使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。新生代使用ParNew GC策略，年老代默认使用Serial Old GC策略。
组合5	Parallel Scavenge	Serial Old	Parallel Scavenge策略主要是关注一个可控的吞吐量：应用程序运行时间 / (应用程序运行时间 + GC时间)，可见这会使得CPU的利用率尽可能的高，适用于后台持久运行的应用程序，而不适用于交互较多的应用程序。
组合6	Parallel Scavenge	Parallel Old	Parallel Old是Serial Old的并行版本
组合7	G1GC	G1GC	-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC #开启；-XX:MaxGCPauseMillis =50 #暂停时间目标；-XX:GCPauseIntervalMillis =200 #暂停间隔目标；-XX:+G1YoungGenSize=512m #年轻代大小；-XX:SurvivorRatio=6 #幸存区比例

原文：http://blog.leanote.com/post/zhangyue/JVM系列（三）之GC