JVM垃圾收集器专题
垃圾收集器:利用垃圾收集算法,实现垃圾回收的实践落地。
1 HotSpot垃圾回收器
HotSpot垃圾回收器有多个,可以配合使用。
1.1 垃圾回收的一些术语
术语: Stop the world
简写为STW,也叫全局停顿,Java代码停止运行,native代码继续运行,但不能与JVM进行交互。
STW主要是为了GC操作的准确性和效率。用户线程不停止的话,会不断有新对象和垃圾对象产生,假设没有STW,会导致GC时间过长,错误清理新对象等情况。
原因:多半由于垃圾回收导致;也可能是Dump线程、死锁检查、Dump堆等导致。
危害:服务停止、没有响应;主从切换(对于高可用环境,如果停顿时间过长,会引发主从之间的切换)、危害生产安全。
因此,尽量缩短Stop the world的时间。
术语--并行收集 VS 并发收集
并行收集:指多个垃圾收集线程并行工作,但是在收集的过程中,用户线程(你的业务线程)还是处于等待状态的
并发收集:指用户线程与垃圾收集线程同时工作
术语-- 吞吐量
CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值
公式:运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)
2 新生代垃圾收集器(与老年代收集器配合使用)
2.1 Serial收集器
Serial 收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器,采用复制算法。采用单线程操作,收集过程中全程STW。
适用场景有:
- 客户端程序,应用以
-client
模式运行时,默认使用的就是Serial(java -client -jar
运行) - 单核机器
2.2 ParNew收集器
Serial收集器的多线程版,除使用多线程以外,其他和Serial收集器一样,包括:JVM参数、Stop the world表现、垃圾收集算法都是一样的。可使用 -XX:ParallelGCThreads
设置垃圾收集的线程数。主要和CMS垃圾收集器配合使用。
2.3 ParallelScavenge收集器
ParallelScavenge收集器,是吞吐量优先收集器,也是采用复制算法,也是多线程的。执行过程与ParNew收集器类似。
Parallel Scavenge收集器适用于注重吞吐量的场景。
Parallel Scavenge收集器特点
可以达到一个可控制的吞吐量
-XX:MaxGCPauseMillis
:控制最大的垃圾收集停顿时间(尽力)-XX:GCTimeRatio
:设置吞吐量的大小,取值0-100,系统花费不超过1/(1+n)的时间用于垃圾收集
自适应GC策略:可用-XX:+UseAdptiveSizePolicy
打开
- 打开自适应策略后,无需手动设置新生代的大小(-Xmn)、Eden与Survivor区的比例(-XX:SurvivorRatio)等参数虚拟机会自动根据系统的运行状况收集性能监控信息,动态地调整这些参数,从而达到最优的停顿时间以及最高的吞吐量。
3 老年代收集器(与新生代收集器配合使用)
3.1 Serial Old收集器
Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本,单线程,采用的是标记-整理算法,垃圾收集过程Stop The World。
可以与上面三个新生代收集器配合使用;当CMS收集器出现故障时,作为后备处理器。
3.2 Parallel Old收集器
Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本,只能与Parallel Scavenge收集器配合使用,同样是注重对吞吐量要求较高的场景。
Parallel Old收集器,采用多线程,标记-整理算法,垃圾收集过程Stop The World。
3.3 CMS收集器(JDK9废弃)
CMS: Concuerrent mark sweep(并发标记收集器),采用标记-清除算法。
CMS执行过程的七个阶段:
- 初始标记:标记GC Roots能直接关联的对象,触发短暂STW操作。
- 并发标记:找出所有GC Roots能关联的对象。并发执行,不会触发STW。
- 并发预清理阶段(可选):重新标记在并发标记阶段引用被更新的对象,从而减少后面重新标记的工作量。并发执行,不会触发STW。可使用
-XX:-CMSPrecleaningEnabled
关闭并发预清理阶段,默认打开。 - 并发可中止的预清理阶段(可选):和并发预清理做的事情一样,并发执行,无 Stop The World。预清理后,当Eden的使用量大于
CMSScheduleEdenSizeThreshold
的阈值(默认2M)时,才会执行该阶段。主要作用是允许我们能够控制预清理阶段的结束时机。 - 重新标记阶段:修正并发标记期间,因为用户程序继续运行,导致标记发生变动的那些对象的标记。一般来说,重新标记花费的时间会比初始标记阶段长一些,但比并发标记的时间短。存在 Stop The World。
- 并发清除阶段:基于标记结果,清除垃圾对象。并发执行,无STW。使用标记清除算法,因为标记整理涉及数据位置,并发情况难以实现。
- 并发重置阶段:清除本地CMS GC的上下文信息,为下次GC做准备。
CMS收集器的优缺
优点:STW时间较短,大多数过程并发执行。
缺点:
- 垃圾回收并发执行时,会与用户线程有一定CPU资源争抢,影响吞吐量;
- CMS只在标记的时候STW,清除时无STW,无法处理浮动垃圾;
- 采用标记-清除法,导致内存碎片的产生;
- 可以使用
UseCMSCompactAtFullCollection
:在完成Full GC后是否要进行内存碎片整理,默认开启。CMSFullGCsBeforeCompaction
:进行几次Full GC后就进行一次内存碎片整理,默认是0。
- 可以使用
- 无法等到老年代几乎满了才开始垃圾收集。
- 执行过程中多个阶段没有STW操作,会不断有对象晋升到老年代,当老年代预留的内存不够时,会导致Concurrent Mode Failure,从而切换成后备老年代收集器 Serial Old。
- 可使用
CMSInitiatingOccupancyFraction
设置老年代占比达到多少就触发垃圾收集,默认68%。
CMS适用于希望系统停顿时间短,响应速度快的场景,例如Web。
扩展:并发预处理、并发中断预处理
1、首先,CMS是一个关注停顿时间,以回收停顿时间最短为目标的垃圾回收器。并发预处理阶段做的工作是标记,重标记需要STW(Stop The World),因此重标记的工作尽可能多的在并发阶段完成来减少STW的时间。此阶段标记从新生代晋升的对象、新分配到老年代的对象以及在并发阶段被修改了的对象。
2、并发可中断预清理(Concurrent precleaning)是标记在并发标记阶段引用发生变化的对象,如果发现对象的引用发生变化,则JVM会标记堆的这个区域为Dirty Card。那些能够从Dirty Card到达的对象也被标记(标记为存活),当标记做完后,这个Dirty Card区域就会消失。CMS有两个参数:CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold、CMSScheduleRemarkEdenPenetration,默认值分别是2M、50%。两个参数组合起来的意思是预清理后,eden空间使用超过2M时启动可中断的并发预清理(CMS-concurrent-abortable-preclean),直到eden空间使用率达到50%时中断,进入重新标记阶段。
4 G1收集器
G1(Garbge First),面向服务端应用,可以同时用于新生代和老年代。
G1收集器使用Region作为单位,包括四种类型,分别为Eden、Survior、Old和Humongous,通过参数-XX:G1HeapRegionSize
指定Region的大小,取值范围为1MB ~ 32 MB之间。
前三种Region仍然是伊甸园、存活区、老年代,Humongous用来存储大对象,对象过大可以存储到连续的Humongous中。Old和Humongous同属于老年代。
G1收集器的设计思想:将内存分成很多小块(Region),跟踪每个Region中垃圾堆积的价值大小,构建一个优先列表,根据允许的收集时间,优先回收价值最高的Region。其中价值大小指的是回收该Region能获得的空间大小以及回收所需要的时间成本。
4.1 G1收集器的垃圾回收机制
主要分为三种,Young GC、Mixed GC、Full GC。
4.1.1 Young GC
所有Eden Region都满了的时候,就会触发Young GC。
- Eden中存活的对象转移到Survior Region;
- 原先 Survivor Region中的对象转移到新的 Survivor Region中,或者晋升到Old Region。
- 空闲 Region会被放入空闲列表中,等待下次被使用。
4.1.2 Mixed GC
老年代大小占整个堆的百分比达到一定阈值(可用-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent指定,默认45%),就触发Mixed GC,会回收所有 Young Region,同时回收部分 Old Region。
执行过程分为四步:
初始标记:跟CMS类似,标记处GC Roots能直接关联到的对象,存在短暂STW。
并发标记:跟CMS类似,找出所有GC Roots能关联的对象。并发执行,不会触发STW。
最终标记:更新在并发标记期间引起的变更,存在STW。
筛选回收:首先对各个Region的回收价值和成本排序,根据用户所期望的停顿时间指定回收计划,筛选出合适的Region回收。停顿时间:MaxGCPauseMillis。
回收过程:将Region的存活对象复制到空闲Region中,然后删除原Region,是复制算法,无内存碎片,过程存在STW。
G1收集器Mixed GC除了并发标记以外的过程都是STW的,由于一次只回收一部分Region,所以停顿时间可控。
4.1.3 Full GC
复制对象内存不够,或者无法分配足够的内存(例如大对象无法分配连续的内存),就会触发Full GC。Full GC机制采用单线程的Serial Old模式。
因此G1收集器的优化原则是,尽可能的减少Full GC。
4.2 G1优化原则:减少Full GC
- 增加预留内存(增大-XX:G1 Reserve Percent,默认为堆的10%)
- 更早地回收垃圾(减少- XX: InitiatingHeapOccupancyPercent,老年代达到该值就触发 Mixed GC,默认45%
- 增加并发阶段使用的线程数(增大-XX: ConcGCThreads)
上面三点大白话总结:多留一点内存,有内存可以分配;有垃圾早点回收;垃圾回收快点。
4.3 G1收集器的使用
G1收集器作用于整个堆,可以控制停顿时间(MaxGCPauseMillis=200),并且没有内存碎片。
G1收集器占用内存较大(通常需要6G以上),可以代替CMS收集器。对于JDK8,主要根据内存选择,内存小于6G,选CMS;内存大于6G,使用G1。CMS在JDK9中被废弃,高于JDK8的版本可以选G1。
5 实验收集器
截止目前JDK14依然处于实验状态
Shenandoah(IBM开发,是ZGC竞品,进入OpenJDK,被Oracle JDK12剔除。)
ZGC(一款革命性的收集器)
Epsilon:不干活的垃圾收集器。
- 控制内存分配,但是不执行垃圾回收工作,堆耗尽就直接关闭JVM。
6 如何选择垃圾收集器?
从理论出发主要有下面几点。
- 项目主要关注矛盾点。例如吞吐量(Parallel)、访问延迟(CMS/G1)、应用启动速度
- 基础设施:CPU、内存等
- JDK版本。例如JDK6没有G1,Oracle JDK没有Shenandoah。
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