JVM垃圾回收器介紹

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? ? ? ?在我們的經(jīng)驗(yàn)之中，大部分的對象在生成之后就會(huì)馬上變成垃圾，很少有對象能夠或很久。這個(gè)就是我們將對象分成新生代和老年代的依據(jù)。在不同的代采用不同的收集是算法，從而提高內(nèi)存的利用率。

? ? ? ?我們的分區(qū)一般如下圖所示，一個(gè)生成空間，兩個(gè)大小相等的幸存空間，一個(gè)老年代空間。而針對它們的回收，我們的叫法也不相同。

? ? ? ? 新生代GC（minor GC）：指發(fā)生在新生代的垃圾回收動(dòng)作，因?yàn)镴ava對象大多都具備朝生夕滅的特點(diǎn)，所以minor GC發(fā)生得非常頻繁，一般回收速度也比較塊。

? ? ? ? 老年代GC（Major GC/Full GC）：指發(fā)生在老年代的GC，它的速度會(huì)比minor GC慢很多。

? ? ? ? 前面我們介紹的所有回收算法都是為實(shí)現(xiàn)垃圾回收器服務(wù)的，而垃圾回收器就是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)。目前HotSpot虛擬機(jī)用到的垃圾回收器如下圖所示。注意只有兩個(gè)回收器之間有連線才能配合使用。

1、串行垃圾回收器

? ? ? ? 在JDK1.3.1之前，單線程回收器是唯一的選擇。它的單線程意義不僅僅是說它只會(huì)使用一個(gè)CPU或一個(gè)收集線程去完成垃圾收集工作。而且它進(jìn)行垃圾回收的時(shí)候，必須暫停其他所有的工作線程（Stop The World,STW），直到它收集完成。它適合Client模式的應(yīng)用，在單CPU環(huán)境下，它簡單高效，由于沒有線程交互的開銷，專心垃圾收集自然可以獲得最高的單線程效率。

? ? ? ? 串行的垃圾收集器有兩種，Serial與Serial Old，一般兩者搭配使用。新生代采用Serial，是利用復(fù)制算法；老年代使用Serial Old采用標(biāo)記-整理算法。Client應(yīng)用或者命令行程序可以，通過-XX:+UseSerialGC可以開啟上述回收模式。下圖是其運(yùn)行過程示意圖。

2、并行垃圾回收器

? ? ? ?整體來說，并行垃圾回收相對于串行，是通過多線程運(yùn)行垃圾收集的。也會(huì)stop-the-world。適合Server模式以及多CPU環(huán)境。一般會(huì)和jdk1.5之后出現(xiàn)的CMS搭配使用。并行的垃圾回收器有以下幾種：

? ? ? ? ParNew：Serial收集器的多線程版本，默認(rèn)開啟的收集線程數(shù)和cpu數(shù)量一樣，運(yùn)行數(shù)量可以通過修改ParallelGCThreads設(shè)定。用于新生代收集，復(fù)制算法。使用-XX:+UseParNewGC,和Serial Old收集器組合進(jìn)行內(nèi)存回收。如下圖所示。

? ? ? ? Parallel Scavenge: 關(guān)注吞吐量,吞吐量優(yōu)先，吞吐量=代碼運(yùn)行時(shí)間/(代碼運(yùn)行時(shí)間+垃圾收集時(shí)間),也就是高效率利用cpu時(shí)間，盡快完成程序的運(yùn)算任務(wù)可以設(shè)置最大停頓時(shí)間MaxGCPauseMillis以及，吞吐量大小GCTimeRatio。如果設(shè)置了-XX:+UseAdaptiveSizePolicy參數(shù)，則隨著GC,會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整新生代的大小，Eden,Survivor比例等，以提供最合適的停頓時(shí)間或者最大的吞吐量。用于新生代收集，復(fù)制算法。通過-XX:+UseParallelGC參數(shù)，Server模式下默認(rèn)提供了其和SerialOld進(jìn)行搭配的分代收集方式。

? ? ? ? Parllel Old：Parallel Scavenge的老年代版本。JDK 1.6開始提供的。在此之前Parallel Scavenge的地位也很尷尬，而有了Parllel Old之后，通過-XX:+UseParallelOldGC參數(shù)使用Parallel Scavenge + Parallel Old器組合進(jìn)行內(nèi)存回收，如下圖所示。

3、CMS收集器

? ? ? ?CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲得最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器。從名字就能直到其是給予標(biāo)記-清除算法的。但是它比一般的標(biāo)記-清除算法要復(fù)雜一些，分為以下4個(gè)階段：

? ? ? ?初始標(biāo)記：標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，會(huì)“Stop The World”。

? ? ? ?并發(fā)標(biāo)記：GC Roots Tracing，可以和用戶線程并發(fā)執(zhí)行。

? ? ? ?重新標(biāo)記：標(biāo)記期間產(chǎn)生的對象存活的再次判斷，修正對這些對象的標(biāo)記，執(zhí)行時(shí)間相對并發(fā)標(biāo)記短，會(huì)“Stop The World”。

? ? ? ?并發(fā)清除：清除對象,可以和用戶線程并發(fā)執(zhí)行。

? ? ? ?由于垃圾回收線程可以和用戶線程同時(shí)運(yùn)行，也就是說它是并發(fā)的，那么它會(huì)對CPU的資源非常敏感，CMS默認(rèn)啟動(dòng)的回收線程數(shù)是（CPU數(shù)量+3）/ 4，當(dāng)CPU<4個(gè)時(shí)，并發(fā)回收是垃圾收集線程就不會(huì)少于25%，而且隨著CPU減少而增加，這樣會(huì)影響用戶線程的執(zhí)行。而且由于它是基于標(biāo)記-清除算法的，那么就無法避免空間碎片的產(chǎn)生。CMS收集器無法處理浮動(dòng)垃圾（Floating Garbage），可能出現(xiàn)“Concurrent Mode Failure”失敗而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生。

? ? ? ? 所謂浮動(dòng)垃圾，在CMS并發(fā)清理階段用戶線程還在運(yùn)行著，伴隨程序運(yùn)行自然還會(huì)有新的垃圾不斷產(chǎn)生，這一部分垃圾出現(xiàn)在標(biāo)記過程之后，CMS無法在當(dāng)次收集中處理掉它們，只能留待下一次GC時(shí)再清理掉。

? ? ? ?把G1單獨(dú)拿出來的原因是其比較復(fù)雜，在JDK 1.7確立是項(xiàng)目目標(biāo)，在JDK 7u2版本之后發(fā)布，并在JDK 9中成為了默認(rèn)的垃圾回收器。通過“-XX:+UseG1GC”啟動(dòng)參數(shù)即可指定使用G1 GC。

? ? ? ?G1從整體看還是基于標(biāo)記-清除算法的，但是局部上是基于復(fù)制算法的。這樣就意味者它空間整合做的比較好，因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生空間碎片。G1還是并發(fā)與并行的，它能夠充分利用多CPU、多核的硬件環(huán)境來縮短“stop the world”的時(shí)間。G1還是分代收集的，但是G1不再像上文所述的垃圾收集器，需要分代配合不同的垃圾收集器，因?yàn)镚1中的垃圾收集區(qū)域是“分區(qū)”（Region）的。G1的分代收集和以上垃圾收集器不同的就是除了有年輕代的ygc，全堆掃描的full GC外，還有包含所有年輕代以及部分老年代Region的Mixed GC。G1還可預(yù)測停頓，通過調(diào)整參數(shù)，制定垃圾收集的最大停頓時(shí)間。

? ? ? ?G1收集器的運(yùn)作大致可以分為以下步驟：初始標(biāo)記、并發(fā)標(biāo)記、最終標(biāo)記、篩選回收。其中初始標(biāo)記階段僅僅只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，并且修改TAMS（Next Top at Mark Set）的值，讓下一個(gè)階段用戶程序并發(fā)運(yùn)行時(shí)，能在正確可用的Region中創(chuàng)建新對象，這個(gè)階段需要STW，但耗時(shí)很短。并發(fā)標(biāo)記階段是從GC Roots開始對堆中對象進(jìn)行可達(dá)性分析，找到存活的對象，這階段耗時(shí)較長，但是可以和用戶線程并發(fā)運(yùn)行。最終標(biāo)記階段則是為了修正在并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變化的那一部分標(biāo)記記錄，虛擬機(jī)將這段時(shí)間對象變化記錄在線程Remembered Set Logs里面，最終標(biāo)記需要把Remembered Set Logs的數(shù)據(jù)合并到Remembered Sets中，這階段需要暫停線程，但是可并行執(zhí)行。最后的篩選回收階段首先對各個(gè)Region的回收價(jià)值和成本進(jìn)行排序，根據(jù)用戶所期望的GC停頓時(shí)間來確定回收計(jì)劃。G1收集器運(yùn)行示意圖如下圖所示。

G1分區(qū)的概念

? ? ? ?G1的堆區(qū)在分代的基礎(chǔ)上，引入分區(qū)的概念。G1將堆分成了若干Region,以下和”分區(qū)”代表同一概念。（這些分區(qū)不要求是連續(xù)的內(nèi)存空間）Region的大小可以通過G1HeapRegionSize參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其必須是2的冪，范圍允許為1Mb到32Mb。JVM的會(huì)基于堆內(nèi)存的初始值和最大值的平均數(shù)計(jì)算分區(qū)的尺寸，平均的堆尺寸會(huì)分出約2000個(gè)Region。分區(qū)大小一旦設(shè)置，則啟動(dòng)之后不會(huì)再變化。如下圖簡單畫了下G1分區(qū)模型。

Eden regions(年輕代-Eden區(qū))

Survivor regions(年輕代-Survivor區(qū))

Old regions（老年代）

Humongous regions（巨型對象區(qū)域）

Free regions（未分配區(qū)域，也會(huì)叫做可用分區(qū)）-上圖中空白的區(qū)域

? ? ? ?G1中的巨型對象是指，占用了Region容量的50%以上的一個(gè)對象。Humongous區(qū)，就專門用來存儲(chǔ)巨型對象。如果一個(gè)H區(qū)裝不下一個(gè)巨型對象，則會(huì)通過連續(xù)的若干H分區(qū)來存儲(chǔ)。因?yàn)榫扌蛯ο蟮霓D(zhuǎn)移會(huì)影響GC效率，所以并發(fā)標(biāo)記階段發(fā)現(xiàn)巨型對象不再存活時(shí)，會(huì)將其直接回收。ygc也會(huì)在某些情況下對巨型對象進(jìn)行回收。

? ? ? ?分區(qū)可以有效利用內(nèi)存空間，因?yàn)槭占w是使用“標(biāo)記-整理”，Region之間基于“復(fù)制”算法，GC后會(huì)將存活對象復(fù)制到可用分區(qū)（未分配的分區(qū)），所以不會(huì)產(chǎn)生空間碎片。

G1 GC的分類和過程

? ? ? ? JDK10 之前的G1中的GC只有Young GC,Mixed GC。Full GC處理會(huì)交給單線程的Serial Old垃圾收集器。

Young?GC年輕代收集

? ? ? ?在分配一般對象（非巨型對象）時(shí)，當(dāng)所有Eden region使用達(dá)到最大閥值并且無法申請足夠內(nèi)存時(shí)，會(huì)觸發(fā)一次Young GC。每次Young GC會(huì)回收所有Eden以及Survivor區(qū)，并且將存活對象復(fù)制到Old區(qū)以及另一部分的Survivor區(qū)。到Old區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)就是在PLAB中得到的計(jì)算結(jié)果。因?yàn)閅oung GC會(huì)進(jìn)行根掃描，所以會(huì)stop the world。

Young GC的回收過程如下：

1、根掃描,跟CMS類似，Stop the world，掃描GC Roots對象。

2、處理Dirty card,更新RSet.

3、掃描RSet,掃描RSet中所有old區(qū)對掃描到的young區(qū)或者survivor去的引用。

4、拷貝掃描出的存活的對象到survivor2/old區(qū)

5、處理引用隊(duì)列，軟引用，弱引用，虛引用

Mix?GC混合收集

? ? ? ?Mixed GC是G1 GC特有的，跟Full GC不同的是Mixed GC只回收部分老年代的Region。哪些old region能夠放到CSet里面，有很多參數(shù)可以控制。比如G1HeapWastePercent參數(shù)，在一次young GC之后，可以允許的堆垃圾百占比，超過這個(gè)值就會(huì)觸發(fā)mixed GC。

? ? ? G1MixedGCLiveThresholdPercent參數(shù)控制的，old代分區(qū)中的存活對象比，達(dá)到閥值時(shí)，這個(gè)old分區(qū)會(huì)被放入CSet。

? ? ? Mixed GC一般會(huì)發(fā)生在一次Young GC后面,為了提高效率，Mixed GC會(huì)復(fù)用Young GC的全局的根掃描結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)Stop the world過程是必須的，整體上來說縮短了暫停時(shí)間。

? ? ? ? Mix GC的回收過程可以理解為Young GC后附加的全局concurrent marking，全局的并發(fā)標(biāo)記主要用來處理old區(qū)（包含H區(qū)）的存活對象標(biāo)記，過程如下：

1. 初始標(biāo)記（Initial Mark）。標(biāo)記GC Roots，會(huì)STW,一般會(huì)復(fù)用Young GC的暫停時(shí)間。如前文所述，初始標(biāo)記會(huì)設(shè)置好所有分區(qū)的NTAMS值。

2. 根分區(qū)掃描（Root Region Scan）。這個(gè)階段GC的線程可以和應(yīng)用線程并發(fā)運(yùn)行。其主要掃描初始標(biāo)記以及之前Young GC對象轉(zhuǎn)移到的Survivor分區(qū)，并標(biāo)記Survivor區(qū)中引用的對象。所以此階段的Survivor分區(qū)也叫根分區(qū)（Root Region）。

3. 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Mark）。會(huì)并發(fā)標(biāo)記所有非完全空閑的分區(qū)的存活對象，也即使用了SATB算法，標(biāo)記各個(gè)分區(qū)。

4. 最終標(biāo)記（Remark）。主要處理SATB緩沖區(qū)，以及并發(fā)標(biāo)記階段未標(biāo)記到的漏網(wǎng)之魚（存活對象），會(huì)STW,可以參考上文的SATB處理。

5. 清除階段（Clean UP）。上述SATB也提到了，會(huì)進(jìn)行bitmap的swap，以及PTAMS,NTAMS互換。整理堆分區(qū)，調(diào)整相應(yīng)的RSet（比如如果其中記錄的Card中的對象都被回收，則這個(gè)卡片的也會(huì)從RSet中移除）,如果識(shí)別到了完全空的分區(qū)，則會(huì)清理這個(gè)分區(qū)的RSet。這個(gè)過程會(huì)STW。

清除階段之后，還會(huì)對存活對象進(jìn)行轉(zhuǎn)移（復(fù)制算法），轉(zhuǎn)移到其他可用分區(qū)，所以當(dāng)前的分區(qū)就變成了新的可用分區(qū)。復(fù)制轉(zhuǎn)移主要是為了解決分區(qū)內(nèi)的碎片問題。

Full?GC

G1在對象復(fù)制/轉(zhuǎn)移失敗或者沒法分配足夠內(nèi)存（比如巨型對象沒有足夠的連續(xù)分區(qū)分配）時(shí)，會(huì)觸發(fā)Full GC。Full GC使用的是stop the world的單線程的Serial Old模式,所以一旦觸發(fā)Full GC則會(huì)STW應(yīng)用線程，并且執(zhí)行效率很慢。JDK 8版本的G1是不提供Full GC的處理的。對于G1 GC的優(yōu)化，很大的目標(biāo)就是沒有Full GC。

https://blog.csdn.net/lijingyao8206/article/details/80513383

https://blog.csdn.net/coderlius/article/details/79272773

《深入理解Java虛擬機(jī)》

《垃圾回收的算法與實(shí)現(xiàn)》

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