JVM 专题二十:垃圾回收(四)垃圾回收器 (一)
1. GC分类与性能指标
垃圾收集器没有在规范中进行过多的规定,可以由不同的厂商、不同版本的JVM来实现。由于JDK的版本处于高速迭代过程中,因此Java发展至今已经产生了众多的GC版本。从不同角度分析垃圾收集器,可以将GC分为不同的类型。
1.1 GC分类
- 按线程数(垃圾回收的线程)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有一个CPU用于执行垃圾回收操作,此时工作线程被暂停,直至垃圾收集工作结束。在诸如单CPU处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合,串行回收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。所以,串行回收默认被应用在客户端的Client模式下的JVM中。
- 在并发能力比较强的CPU上,并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器。
- 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。
- 按照工作模式分,可以分为并发式垃圾回收器和独占式拉圾回收器。
- 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所有用户线程,直到垃圾回收过程完全结束。
- 按碎片处理方式分,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
| 再分配对象空间使用:指针碰撞
- 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。
| 再分配对象空间使用:空闲列表
- 按工作的内存区间分,又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器
1.2 性能指标
1.2.1 评估GC的性能指标
- 性能指标
- 吞吐量:运行用户代码的时间占总运行时间的比例
| 总运行时间: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,垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
- 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。
- 内存占用: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。
- 指标概述
- 上面标红的三者共同构成一个"不可能三角"。三者总体的表现会随着技术进步而越来越好。一款优秀的收集器通常最多同时满足其中的两项。
- 这三项里,暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展,内存占用多些越来越能容忍,硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响,即提高了吞吐量。而内存的扩大,对延迟反而带来负面效果
- 简单来说,主要抓住两点:吞吐量、暂停时间
1.2.2 吞吐量
- 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)。
| 比如:虚拟机总共运行了100分钟,其中垃圾收集花掉1分钟,那吞吐量就是9%。
- 这种情况下,应用程序能容忍较高的暂停时间,因此,高吞吐量的应用程序有更长的时间基准,快速响应是不必考虑的。
- 吞吐量优先,意味着在单位时间内,STW的时间最短
1.2.3 暂停时间
- "暂停时间"是指一个时间段内应用程序线程暂停,让GC线程执行的状态
| 例如,GC期间16毫秒的暂停时间意味着在这16毫秒期间内没有应用程序线程是活动的。
- 暂停时间优先,意味着尽可能让单次STW的时间最短
1.2.4 吞吐量 VS 暂停时间
- 高吞吐量较好,因为这会让应用程序的最终用户感觉只有应用程序线程在做"生产性"工作。直觉上,吞吐量越高程序运行越快
- 低暂停时间(低延迟)较好,因为从最终用户的角度来看不管是GC还是其他原因导致一个应用被挂起始终是不好的。这取决于应用程序的类型,有时候甚至短暂的20毫秒暂停都可能打断终端用户体验。因此,具有低的较大暂停时间是非常重要的,特别是对于一个交互式应用程序。
- 不幸的是"高吞吐量"和"低暂停时间"是一对相互竞争的目标(矛盾)。
- 因为如果选择以吞吐量优先,那么必然需要降低内存回收的执行频率,但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收。
- 相反的,如果选择以低延迟优先为原则,那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间,也只能频繁地执行内存回收,但这又引起了年轻代内存的缩减和导致程序吞吐量的下降。
- 在设计(或使用)GC算法时,我们必须确定我们的目标:一个GC算法只可能针对两个目标之一(即只专注于较大吞吐量或最小暂停时间),或尝试找到一个二者的折衷。
- 现在标准:在最大吞吐量优先的情况下,降低停顿时间
2. 不同的垃圾回收器
垃圾收集机制是Java的招牌能力,极大地提高了开发效率。这当然也是面试的热点。那么,Java常见的垃圾收集器有哪些?
2.1 垃圾收集器发展史
有了虚拟机,就一定需要收集垃圾的机制,这就是Garbage Collection,对应的产品我们称为Garbage Collector。
- 1999年随JDK1.3.1一起来的是串行方式的Serial GC,它是第一款GC。 ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多线程版本
- 2002年2月26日, Parallel GC和Concurrent Mark Sweep GC跟随JDK1.4.2一起发布,Parallel GC在JDK6之后成为Hotspot默认GC。
- 2012年,在JDK1.7u4版本中,G1可用。
- 2017年,JDK9中G1变成默认的垃圾收集器,以替代CMS
- 2018年3月,JDK10中G1垃圾回收器的并行完整垃圾回收,实现并行性来改善最坏情况下的延迟。
- 2018年9月,JDK11发布。引入Epsilon垃圾回收器,又被称为"No-Op(无操作)回收器。同时,引入ZGC:可伸缩的低延迟垃圾回收器(Experimental)
- 2019年3月,JDK12发布。增强G1,自动返回未用堆内存给操作系统。同时,引入Shenandoah GC:低停顿时间的GC(Experimental)。
- 2019年9月,JDK13发布。增强ZGC,自动返回未用堆内存给操作系统。
- 2020年3月,JDK14发布。删除CMS垃圾回收器。扩展ZGC在macos和Windows上的应用
2.2 7款经典的垃圾收集器
- 线程分类
- 串行回收器: Serial、 Serial Old
- 并行回收器: ParNew、 Parallel Scavenge、Parallel Old
- 并发回收器:CMS、G1
- 分代
- 新生代收集器: Serial、 ParNew、Parallel Scavenge
- 老年代收集器: Serial Old、Parallel old、CMS
- 整堆收集器:G1
2.3 垃圾收集器的组合关系
- 两个收集器间有连线,表明它们可以搭配使用:Serial/ Seral Old、 Serial/CMS、 ParNew/ Serial Old、 ParNew/CMS、Parallel Scavenge/Serial Old, Parallel Scavenge/Parallel Old, G1:
- 其中Serial Old作为CMS出现"Concurrent Mode Failure"失败的后备预案。
- (红色虚线)由于维护和兼容性测试的成本,在JDK8时将Serial+CNS、ParNew+ Serial Old这两个组合声明为废弃(JEP173),并在JDK9中完全取消这些组合的支持,即:移除。
- (绿色虚线)JDK14中:弃用Parallel Scavenge和Serial Old GC组合
- (青色虚线)JDK14中:删除CMS垃圾回收器
2.4 不同垃圾回收器概述
- 为什么要有很多收集器,一个不够吗?
因为Java的使用场景很多,移动端,服务器等。所以就需要针对不同的场景,提供不同的垃圾收集器,提高垃圾收集的性能。
- 虽然我们会对各个收集器进行比较,但并非为了挑选一个最好的收集器出来。没有一种放之四海皆准、任何场景下都适用的完美收集器存在,更加没有万能的收集器。所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器
2.5 查看默认的垃圾收集器
- XX:+ PrintCommandLineFlags:查看命令行相关参数(包含使用的垃圾收集器)
- 使用命令行指令: jinfo-flag相关垃圾回收器参数进程ID
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