JVM学习02-GC算法与种类

1. GC 简单介绍

　　GC（Garbage Collection） 是垃圾收集的简写，GC机制是java中一个比較重要的概念。java的内存管理提供了内存的分配和释放。内存处理是程序编写人员非常easy出错的地方。忘记或错误的内存回收非常easy导致系统的不稳定，甚至瘫痪。

java的GC机制能够非常好的检測对象是否超过作用域而能够达到回收的要求，从而实现自己主动回收垃圾对象的释放内存的目的。

　　 事实上早在非常久曾经（1960）就已经有了GC的概念，仅仅是java借用这个优秀的思想，在java内存模型中。GC的工作区域主要是在堆区域和方法区。大部分都是在堆区域中。

2. GC 算法

2.1 引用计数法

　　首先呢，java并没有採用引用计数法作为GC算法，因为它有明显的缺陷。

　　引用计数法实现比較简单：对于一个对象A来说。仅仅要有不论什么一个对象或者引用指向了A。那么A的计数器就加1。当引用失效时。引用计数器就减1，最后仅仅要对象A的引用计数器的值为0，那么A就不可能再被使用，就可被视为垃圾。

　　引用计数法存在明显的缺陷，第一因为不断引用和去除引用伴随着加减法。影响性能。第二最大是问题就是非常难解决循环引用的问题。

这样就会存在非常多的对象无法被回收，所以JVM压根没有使用引用计数法作为GC算法。

2.2 标记-清除

　　标记清除（Mark-Sweep）算法是现代垃圾回收算法的基础。顾名思义。标记清除算法将垃圾清除分为两个阶段：标记和清除

标记：通过根节点。标记全部从根节点開始的可达对象。因此，未被标记的对象就是未被引用即不可达的对象。

清除：清除全部未被标记的对象。

2.3 标记-压缩

　　标记压缩（Mark-Compact）算法适用于存活对象比較多的场合，比方老年代。它在标记-清除算法基础上做了一些优化，标记压缩算法和标记清除算法一样。首先通过根节点标记可达的对象。然后还将全部可达的对象（存活的对象）压缩到内存一端。然后清理边界外全部空间。

标记：通过根节点标记可达的对象。

压缩：将存活的对象整理到内存一端。清理边界外全部空间。

2.4 复制算法

与标记清除算法相比，复制（Copying）算法相对是一个比較高效的算法，因为涉及到存活对象的赋值，所以复制算法不适合存活对象比較多的场合（如不适合老年代）。复制算法的思想大致例如以下：将原有的内存分为两块空间，每次仅仅使用当中一块，在垃圾回收的时候，将正在使用内存中存活的对象拷贝到未使用的内存块中，之后清除正在使用内存中的全部对象，然后交换两个内存的角色完毕垃圾回收。

2.5 增量算法

另一种算法是增量算法（直接摘抄了）：增量算法的基本思想是，假设一次性将全部的垃圾进行处理，须要造成系统长时间的停顿，那么就能够让垃圾收集线程和应用程序线程交替运行。每次。垃圾收集线程仅仅收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用程序线程。

依次重复，直到垃圾收集完毕。使用这样的方式，因为在垃圾回收过程中，间断性地还运行了应用程序代码。所以能减少系统的停顿时间。可是，因为线程切换和上下文转换的消耗，会使得垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量的下降。

2.6 总结

1. 首先是引用计数法，这个缺陷比較明显。JVM也没有採用。不做讨论。

2. 标记清除和标记压缩相比。前者产生大量不连续的内存碎片。

   后者尽管不产内存碎片，可是在前者的基础上还进行对象的压缩（整理），所以成本相对较高。

   且两者都会进行标记和清除。效率不是非常高。

3. 复制算法尽管比較简单高效。且不会产生内存碎片。可是明显浪费了大量的内存空间

3. 分代思想

　　依据GC算法的总结能够知道，结合不同算法的有点才干规划出一套比較可行的方案，所谓没有最好仅仅有更好。

　　前面JVM内存模型中有说到将JAVA堆分为新生代和老年代。然后又将新生代细分为eden space。survivor space(分为from和to或者s0和s1)。然后依据对象的存活周期将短命对象归为新生代，长命对象归为老年代。

　　然后依据不同代的特点，在对象存活比較少的新生代採用复制算法。在老年代採用标记清除或标记压缩算法。



图中。在进行垃圾回收的时候。存活对象怎样存放有非常多种可能。

1. 左边绿色的箭头表示在垃圾回收的时候。第一种年龄比較大的对象会存放在老年代中；另外一种情况就是一些比較大的对象无法放到 survivor 空间中。那么此时大对象也被存放到老年代中，所以有的是也称老年代是一个担保空空。

2. 左边红色和黄色的箭头就是进行正常的复制算法。垃圾回收结束就是右图的样子。

3. 有的时候查看GC日志的时候，新生代的垃圾回收一般称为minor gc。老年代因为区域比較大且存活对象非常多。生命周期非常长，所以gc时候会比較长。通常称为full gc。

4. 对象的可触及性

对象的可触及性顾名思义就是从根节点能够标记的对象。大家普通情况会觉得对象要么是可触及的，要么是不可触及的，事实上中间还存在一个可复活性。

1. 可触及性

　从根节点能够触及的对象

2. 可复活性

一旦全部引用被释放。对象进入可复活状态，因为在 finalize() 方法后对象可能变得可触及

3. 不可触及性

finalize() 方法之后，对象可能进入不可触及状态。不可触及的对象不能复活。然后进入可回收的状态。

这里须要注意的一点是 finalize() 方法仅仅会被运行一次，所以某个对象不能无限又可复活性到达可触及性。

并且 finalize() 方法的运行优先级非常低，何时出发GC并不确定。finalize()方法的调用也变得不确定。

更具体參照：《finalize 总结》

5. Stop-The-World (STW) 现象

　　STW现象是java的一种全局暂停的现象。全部Java代码停止运行（Native代码能够运行，但不能与JVM交互）。产生这样的现象的原因多半是因为 GC 引起的。

GC 为什么产生 STW 现象？这个以开 Party 打个比方：我们在开party 的时候会产生非常多的垃圾，那么此时假设有人来清理垃圾。我们他在清理的时候。我们又不断产生垃圾。那么房间永远打扫不干净，所以唯一的办法就是我们停止手中的事情，直到房间打扫干净后再进行活动。

　　那么GC也是这个道理，当发生GC的时候，必定全部的工作线程会停止，那么此时就会产生java停顿的现象。

　　当发生STW现象的时候。假设时间短还好，假设时间特别长甚至几十分钟，服务器就会长时间得不到响应，那么就会带来比較大的危害。解决方法能够使用主备机的切换吧。具体不是非常清楚，也不展开了。

6. 垃圾回收器的种类

6.1 新生代串行收集器

串行收集器是一个古老而稳定，经过长时间考验的垃圾收集器。

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，它的性能表现能够超过并行回收器和并发回收器。

可是有的时候会停顿非常长时间，且是线程独占的。

新生代串行收集器採用了复制算法，当 JVM 在 Client 模式下运行时。它是默认的垃圾收集器。

在 HotSpot 虚拟机中。使用 -XX：+UseSerialGC 參数能够指定使用新生代串行收集器和老年代串行收集器。此时老年代串行收集器採用的是标记-压缩算法。

[GC 0.844: [DefNew: 17472K->2176K(19648K), 0.0188339 secs] 17472K->2375K(63360K), 0.0189186 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs]

6.2 老年代串行收集器

老年代串行收集器和新生代串行收集器一样。老年代串行收集器採用的是标记-压缩算法，能够使用 -XX：+UseSerialGC 參数能够指定使用新生代串行收集器和老年代串行收集器。

图解和新生代串行收集器一样。

 [Full GC 8.259: [Tenured: 43711K->40302K(43712K), 0.2960477 secs] 63350K->40302K(63360K), [Perm : 17836K->17836K(32768K)], 0.2961554 secs] [Times: user=0.28 sys=0.02, real=0.30 secs]

6.3 并行收集器

并行收集器工作在新生代，仅仅是将新生代串行收集器变成了多线程化了，它的回收策略、算法以及參数和串行回收器一样。

新生代依然採用复制算法，老年代还是串行收集器（标记压缩算法）。GC依然是线程独占的。

开启并行回收器能够使用參数 -XX:+UseParNewGC



多线程并不意味着GC一定会非常快，且须要多核CPU的支持才会相对提高效率。

能够使用 -XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

[GC 0.834: [ParNew: 13184K->1600K(14784K), 0.0092203 secs] 13184K->1921K(63936K), 0.0093401 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

6.4 新生代并行回收收集器

与 ParNew 相似。新生代并行回收收集器也是使用复制算法的收集器。从表面上看，它和并行收集器一样都是多线程、独占式的收集器。

可是。并行回收收集器有一个重要的特点：它非常关注系统的吞吐量。

使用 -XX:+UseParallelGC 设置 新生代使用Parallel收集器+ 老年代使用串行收集器

使用 -XX:+UseParallelOldGC 设置 新生代和老年代都使用Parallel收集器

[Full GC [PSYoungGen: 2682K->0K(19136K)] [ParOldGen: 28035K->30437K(43712K)] 30717K->30437K(62848K) [PSPermGen: 10943K->10928K(32768K)], 0.2902791 secs] [Times: user=1.44 sys=0.03, real=0.30 secs]

6.5 老年代并行回收收集器

老年代的并行收集器和新生代并行收集器一样。所线程且关注系统吞吐量。採用标记压缩的算法。

使用 -XX:+UseParallelOldGC 设置 新生代和老年代都使用Parallel收集器

图解和清单和新生代并行收集器一样。

这里新生代和老年代的并行收集器和使用下面參数启动：

-XX:MaxGCPauseMills ： 设置最大的停顿时间，单位是毫秒。

GC会尽力保证回收的时间不超过吞吐量。

-XX:GCTimeRatio ： 设置吞吐量的大小n。GC时间比[ 1/(1+n) ]。默认值为99。即最大同意1%的时间用于垃圾回收。

这两个參数本来就是矛盾的，假设将最大停顿时间设置越小，那么GC就会越频繁，从而减少整个系统的吞吐量。

假设吞吐量设置越大，GC导致的停顿时间也会越长，所以有所矛盾。所以在实际中也能够採用自适应的GC调节策略，使用 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy 能够打开自适应 GC 策略。在这样的模式下。新生代的大小、eden 和 survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等參数会被自己主动调整。以达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。

在手工调优比較困难的场合，能够直接使用这样的自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量 (GCTimeRatio) 和停顿时间 (MaxGCPauseMills)，让虚拟机自己完毕调优工作。

6.6 CMS收集器

　　CMS （Concurrent Mark Sweep）是并发标记清除的收集器，这里的并发表示能够和用户线程一起工作。且採用标记清除算法。

　　CMS 收集器针是老年代收集器，新生代採用 ParNew 并行收集器。

　　能够使用 -XX:+UseConcMarkSweepGC 启动 CMS 收集器。

　　CMS 工作大致可分为例如以下几个过程：

1. 初始标记：GC 线程独占，对根能够直接关联到的对象进行标记，速度比較快。

2. 并发标记：GC 线程和用户线程一起运行，对全部的对象进行标记。

3. 又一次标记：因为上一步并发过程。用户线程可能还会生产出垃圾，所以GC 线程独占。在正式清理前又一次做一次标记。

4. 并发清除：GC 线程和用户线程一起运行。GC 回收垃圾对象。

1.662: [GC [1 CMS-initial-mark: 28122K(49152K)] 29959K(63936K), 0.0046877 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
1.666: [CMS-concurrent-mark-start]
1.699: [CMS-concurrent-mark: 0.033/0.033 secs] [Times: user=0.25 sys=0.00, real=0.03 secs]
1.699: [CMS-concurrent-preclean-start]
1.700: [CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
1.700: [GC[YG occupancy: 1837 K (14784 K)]1.700: [Rescan (parallel) , 0.0009330 secs]1.701: [weak refs processing, 0.0000180 secs] [1 CMS-remark: 28122K(49152K)] 29959K(63936K), 0.0010248 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
1.702: [CMS-concurrent-sweep-start]
1.739: [CMS-concurrent-sweep: 0.035/0.037 secs] [Times: user=0.11 sys=0.02, real=0.05 secs]
1.739: [CMS-concurrent-reset-start]
1.741: [CMS-concurrent-reset: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

CMS尽管是并发收集器，可是事实上也会存在线程独占的情况导致全局停顿，仅仅是减少了停顿的时间罢了。因为用户线程的运行过程中，GC的时候还须要分CPU去做垃圾回收，这样就会大大减少总体系统的反应速速。在清理阶段。因为和用户线程并发运行，还会产生新的垃圾，导致清理不彻底。甚至还可能会存在产生的垃圾使得CMS来不及清理。让可使用内存的容量迅速减小。直到内存预留不够，引起 concurrent mode failure 错误。

解决方式：

第一能够通过 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 的值来设置触发CMS收集器的阀值。

默觉得68，即当老年代空间使用率达到68%的时候触发CMS回收。

第二当引起concurrent mode failure 错误的时候，JVM就会启动备用回收器 **老年代串行回收器** 作为GC回收器。

CMS收集器的一些參数：

1. -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 參数将在进行一个Full GC之后进行一次内存压缩（整理），因为CMS採用的是标记清除算法。因为整理过程是线程独占的。所以可能引起的停顿时间较长。

2. -XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 參数设置多少次Full GC后进行一次内存整理。

3. -XX:ParallelCMSThreads 參数设置CMS线程的数量。

6.7 G1收集器

G1 (Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足GC停顿时间要求的同一时候,还具备高吞吐量性能特征. 在Oracle JDK 7 update 4 及以上版本号中得到全然支持, 专为下面应用程序设计:

1. 能够像CMS收集器一样,GC操作与应用的线程一起并发运行

2. 紧凑的空暇内存区间且没有非常长的GC停顿时间.

3. 须要可预測的GC暂停耗时.

4. 不想牺牲太多吞吐量性能.

5. 启动后不须要请求更大的Java堆.

G1的长期目标是代替CMS(Concurrent Mark-Sweep Collector, 并发标记-清除). 因为特性的不同使G1成为比CMS更好的解决方式. 一个差别是,G1是一款压缩型的收集器，G1通过有效的压缩全然避免了对细微空暇内存空间的分配,不用依赖于regions。这不仅大大简化了收集器。并且还消除了潜在的内存碎片问题。

除压缩以外，G1的垃圾收集停顿也比CMSeasy预计，也同意用户自己定义所希望的停顿參数(pause targets)。

具体參考博文：《G1垃圾收集器入门》

7. GC 相关的參数

1. 与串行回收器相关的參数

-XX:+UseSerialGC ： 在新生代和老年代使用串行回收器。

-XX:+SuivivorRatio ： 设置 eden 区大小和 survivor 区大小的比例。8表示 两个Survivor:eden=2:8。即一个Survivor占年轻代的1/10。

-XX:NewRatio ： 新生代和老年代（不包括永久区）的比。4 表示 新生代:老年代=1:4，即年轻代占堆的1/5。

-XX:+PretenureSizeThreshold : 设置大对象直接进入老年代的阈值。

当对象的大小超过这个值时，将直接在老年代分配。

-XX:MaxTenuringThreshold : 设置对象进入老年代的年龄的最大值。

每一次 Minor GC 后，对象年龄就加 1。不论什么大于这个年龄的对象，一定会进入老年代。

2. 与并行 GC 相关的參数

-XX:+UseParNewGC : 在新生代使用并行收集器。

-XX:+UseParallelOldGC : 老年代使用并行回收收集器。

-XX:ParallelGCThreads：设置用于垃圾回收的线程数。通常情况下能够和 CPU 数量相等。但在 CPU 数量比較多的情况下，设置相对较小的数值也是合理的。

-XX:MaxGCPauseMills：设置最大垃圾收集停顿时间。它的值是一个大于 0 的整数。收集器在工作时，会调整 Java 堆大小或者其它一些參数，尽可能地把停顿时间控制在 MaxGCPauseMills 以内。

-XX:GCTimeRatio : 设置吞吐量大小，它的值是一个 0-100 之间的整数。假设 GCTimeRatio 的值为 n，那么系统将花费不超过 1/(1+n) 的时间用于垃圾收集。

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy : 打开自适应 GC 策略。

在这样的模式下，新生代的大小，eden 和 survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等參数会被自己主动调整，以达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。

3. 与 CMS 回收器相关的參数

-XX:+UseConcMarkSweepGC : 新生代使用并行收集器，老年代使用 CMS + 串行收集器（备用收集器）。

-XX:+ParallelCMSThreads : 设定 CMS 的线程数量。

-XX:+CMSInitiatingOccupancyFraction : 设置 CMS 收集器在老年代空间被使用多少后触发，默觉得 68%。

-XX:+UseFullGCsBeforeCompaction : 设定进行多少次 CMS 垃圾回收后，进行一次内存压缩。

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled : 同意对类元数据进行回收。

-XX:+CMSParallelRemarkEndable : 启用并行重标记。

-XX:CMSInitatingPermOccupancyFraction : 当永久区占用率达到这一百分比后。启动 CMS 回收 (前提是-XX:+CMSClassUnloadingEnabled 激活了)。

-XX:UseCMSInitatingOccupancyOnly : 表示仅仅在到达阈值的时候，才进行 CMS 回收。

-XX:+CMSIncrementalMode : 使用增量模式。比較适合单 CPU。

4. 与 G1 回收器相关的參数

-XX:+UseG1GC：使用 G1 回收器。

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions : 同意使用实验性參数。

-XX:+MaxGCPauseMills : 设置最大垃圾收集停顿时间。

-XX:+GCPauseIntervalMills : 设置停顿间隔时间。

5. 其它參数

-XX:+PrintGCDetails ： 打开显示GC日志的开关。

-XX:+DisableExplicitGC : 禁用显示 GC。

-Xloggc:Xxx.log : 设置GC的log位置和名称。

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError : 当堆内存移除出错的时候显示最后的GC日志。

-Xmx 和 –Xms : 设置堆内存的最大同意值和最小值，如-Xmx32M -Xms32M

-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize ： 设置永久代的最小初始值和最大同意值 如-XX:PermSize=64MB 和 -XX:MaxPermSize=256M。

-XX:MaxPermSize缺省值和client/server选项相关，-server选项下默认MaxPermSize为64m，-client选项下默认MaxPermSize为32m。

-Xmn ： 设置新生代大小 ， 如 -Xmn16M