JVM春招面试复习系列：垃圾收集器

落日映苍穹つ 2023-01-07 02:30 128阅读 0赞

使用分代垃圾收集器,基于以下观察事实(弱分代假设)

*  大多数分配对象的存活时间短
 *  存活时间久的对象很少引用存活时间短的对象

由此, HotSpot VM 将堆分为两个物理区空间,这就是分代(永久代只存储元数据, eg. 类的数据结构,保留字符串( Interned String))

根据新生代和老年代各自的特点,我们应该分别为它们选择不同的收集器,以提升垃圾回收效率.  
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# 1 新生代垃圾收集器 #

## 1.1 Serial垃圾收集器 ##

一个主要应用于Y-GC的垃圾回收器，采用串行单线程的方式完成GC任务，其中“Stop The World"简称STW,即垃圾回收的某个阶段会暂停整个应用程序的执行  
F-GC的时间相对较长，频繁FGC会严重影响应用程序的性能  
![Serial 回收流程][Serial]  
`单线程 Stop-The-World 式`  
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*  单线程  
    只会使用一个CPU或一条GC线程进行GC,并且在GC过程中暂停其他所有的工作线程,因此用户的请求或图形化界面会出现卡顿
 *  适合Client模式  
    一般客户端应用所需内存较小,不会创建太多的对象,而且堆内存不大,因此GC时间比较短,即使在这段时间停止一切用户线程,也不会感到明显停顿
 *  简单高效  
    由于Serial收集器只有一条GC线程,避免了线程切换的开销
 *  采用"复制"算法

## 1.2 ParNew垃圾收集器 ##

ParNew是Serial的多线程版本.  
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## 2.1 多线程并行执行 ##

ParNew由多条GC线程并行地进行垃圾清理.  
但清理过程仍然需要暂停一切其他用户线程.  
但由于有多条GC线程同时清理,清理速度比Serial有一定的提升

## 2.2 适合多CPU的服务器环境 ##

由于使用多线程,是许多运行在 server 模式下的虚拟机首选的新生代收集器

*  与Serial性能对比  
    ParNew和Serial唯一区别就是使用了多线程垃圾回收,在多CPU的环境下性能比Serial会有一定程度的提升  
    但线程切换需要额外的开销,因此在单CPU环境中表现不如Serial,双CPU环境也不一定就比Serial高效  
    默认开启的收集线程数与CPU数量相同

## 2.3 采用"复制"算法 ##

## 2.4 追求"降低停顿时间" ##

和Serial相比,ParNew使用多线程的目的就是缩短GC时间,从而减少用户线程被停顿的时间

# 3 Parallel : 吞吐量为先! #

## 3.1 Scavenge垃圾收集器 ##

Parallel Scavenge和ParNew一样都是并行的多线程、新生代收集器,都使用"复制"算法(`Stop-The-World`)进行垃圾回收

但它们有个巨大不同点:

*  ParNew收集器追求降低GC时用户线程的停顿时间,适合交互式应用,良好的反应速度提升用户体验.
 *  Parallel Scavenge追求可控的CPU吞吐量,能够在较短的时间内完成指定任务,适合不需太多交互的后台运算

> 吞吐量是指用户线程运行时间占CPU总时间的比例.  
> CPU总时间包括 : 用户线程运行时间 和 GC线程运行的时间.  
> 因此,吞吐量越高表示用户线程运行时间越长,从而用户线程能够被快速处理完.

*  降低停顿时间的两种方式  
    1.在多CPU环境中使用多条GC线程,从而垃圾回收的时间减少,从而用户线程停顿的时间也减少;  
    2.实现GC线程与用户线程并发执行。所谓并发，就是用户线程与GC线程交替执行，从而每次停顿的时间会减少，用户感受到的停顿感降低，但线程之间不断切换意味着需要额外的开销，从而垃圾回收和用户线程的总时间将会延长。
 *  Parallel Scavenge提供的参数
 *  \-XX:GCTimeRadio  
    直接设置吞吐量大小,GC时间占总时间比率.相当于是吞吐量的倒数.
 *  \-XX:MaxGCPauseMillis  
    设置最大GC停顿时间  
    Parallel Scavenge会根据这个值的大小确定新生代的大小.  
    这个值越小,新生代就越小,从而收集器就能以较短时间进行一次GC  
    但新生代变小后,回收的频率就会提高,吞吐量也降下来了,因此要合理控制这个值
 *  \-XX:+UseAdaptiveSizePolicy  
    开启GC **自适应的调节策略(区别于ParNew)**.  
    我们只要设置最大堆(-Xmx)和MaxGCPauseMillis或GCTimeRadio,收集器会自动调整新生代的大小、Eden和Survior的比例、对象进入老年代的年龄,以最大程度上接近我们设置的MaxGCPauseMillis或GCTimeRadio

## 3.2 Old垃圾收集器 ##

Parallel Scavenge的老年代版本,一般它们搭配使用,追求CPU吞吐量

它们在垃圾收集时都是由多条GC线程并行执行,并暂停一切用户线程,使用"标记-整理"算法.因此,由于在GC过程中没有使垃圾收集和用户线程并行执行,因此它们是追求吞吐量的垃圾收集器.  
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# **老年代垃圾收集器** #

# 1 Serial Old垃圾收集器 #

Serial的老年代版本,都是单线程收集器,GC时只启动一条GC线程,因此都适合客户端应用.

它们唯一的区别就是

*  Serial Old工作在老年代,使用"标记-整理"算法
 *  Serial工作在新生代,使用"复制"算法.  
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# 4 CMS垃圾收集器(Concurrent Mark Sweep Collector) : 低延迟为先! #

回收停顿时间比较短、目前比较常用的垃圾回收器。它通过初始标记(InitialMark)、并发标记(Concurrent Mark)、重新标记( Remark)、并发清除( Concurrent Sweep )四个步骤完成垃圾回收工作  
由于CMS采用的是“标记-清除算法"，因此戸生大量的空间碎片。为了解决这个问题，CMS可以通过配置

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

参数，强制JVM在FGC完成后対老年代迸行圧縮，执行一次空间碎片整理，但是空间碎片整理阶段也会引发STW。为了减少STW次数，CMS还可以通过配置

-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction=n

参数，在执行了n次FGC后, JVM再在老年代执行空间碎片整理

对许多应用来说,快速响应比端到端的吞吐量更为重要

管理新生代的方法与 parallel 和 serial 相同  
在老年代则尽可能并发执行,每个 GC 周期只有2次短的停顿

一种追求最短停顿时间的收集器  
在GC时使得用户线程和GC线程并发执行,因此在GC过程中用户也不会感受到明显卡顿  
但用户线程和GC线程之间不停地切换会有额外的开销,因此垃圾回收总时间就会被延长  
**垃圾回收过程**  
前两步需要"Stop The World"

*  初始标记 (Initial Mark)  
    停止一切用户线程,仅使用一条初始标记线程对所有与GC Roots直接相关联的 老年代对象进行标记,速度很快
 *  并发标记 (Concurrent Marking Phase)  
    使用多条并发标记线程并行执行,并与用户线程并发执行.此过程进行可达性分析,标记所有这些对象可达的存货对象,速度很慢
 *  重新标记 ( Remark)  
    因为并发标记时有用户线程在执行，标记结果可能有变化  
    停止一切用户线程,并使用多条重新标记线程并行执行,重新遍历所有在并发标记期间有变化的对象进行最后的标记.这个过程的运行时间介于初始标记和并发标记之间
 *  并发清除 (Concurrent Sweeping)  
    只使用一条并发清除线程,和用户线程们并发执行,清除刚才标记的对象  
    这个过程非常耗时  
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## 4.1 **CMS的缺点** ##

*  吞吐量低  
    由于CMS在GC过程用户线程和GC线程并行,从而有线程切换的额外开销  
    因此CPU吞吐量就不如在GC过程中停止一切用户线程的方式来的高
 *  无法处理浮动垃圾,导致频繁Full GC  
    由于垃圾清除过程中,用户线程和GC线程并发执行,也就是用户线程仍在执行,那么在执行过程中会产生垃圾,这些垃圾称为"浮动垃圾"  
    如果CMS在GC过程中,用户线程需要在老年代中分配内存时发现空间不足,就需再次发起Full GC,而此时CMS正在进行清除工作,因此此时只能由Serial Old临时对老年代进行一次Full GC
 *  使用"标记-清除"算法产生碎片空间  
    由于CMS使用了"标记-清除"算法, 因此清除之后会产生大量的碎片空间,不利于空间利用率.不过CMS提供了应对策略:
    
     *  开启-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection  
        开启该参数后,每次FullGC完成后都会进行一次内存压缩整理,将零散在各处的对象整理到一块儿.但每次都整理效率不高,因此提供了以下参数.
     *  设置参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction  
        本参数告诉CMS,经过了N次Full GC过后再进行一次内存整理.

# 5 G1收集器(Garbage-First) #

Hotspot 在JDK7中推出了新一代 G1 ( Garbage-First Garbage Collector )垃圾回收，通过

-XX:+UseG1GC

参数启用  
和CMS相比，Gl具备压缩功能，能避免碎片向題，G1的暂停时间更加可控。性能总体还是非常不错的,G1是当今最前沿的垃圾收集器成果之一.

## 5.1 G1的特点 ##

*  追求停顿时间
 *  多线程GC
 *  面向服务端应用
 *  整体来看基于标记-整理和局部来看基于复制算法合并  
    不会产生内存空间碎片
 *  可对整个堆进行垃圾回收
 *  可预测的停顿时间

## 5.2 G1的内存模型 ##

没有新生代和老年代的概念,而是将Java堆划分为一块块独立的大小相等的Region.  
当要进行垃圾收集时,首先估计每个Region中的垃圾数量,每次都从垃圾回收价值最大的Region开始回收,因此可以获得最大的回收效率  
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G1将Java堆空间分割成了若干相同大小的区域，即region  
包括

*  Eden
 *  Survivor
 *  Old
 *  Humongous

其中，`Humongous`是特殊的Old类型,专门放置大型对象.  
这样的划分方式意味着不需要一个连续的内存空间管理对象.G1将空间分为多个区域,**优先回收垃圾最多**的区域.  
G1采用的是**Mark-Copy** ，有非常好的空间整合能力,不会产生大量的空间碎片  
G1的一大优势在于可预测的停顿时间,能够尽可能快地在指定时间内完成垃圾回收任务  
在JDK11中，已经将G1设为默认垃圾回收器，通过jstat命令可以查看垃圾回收情况,在YGC时S0/S1并不会交换.

## 5.3 Remembered Set ##

一个对象和它内部所引用的对象可能不在同一个Region中,那么当垃圾回收时,是否需要扫描整个堆内存才能完整地进行一次可达性分析?  
当然不是,每个Region都有一个Remembered Set,用于记录本区域中所有对象引用的对象所在的区域,从而在进行可达性分析时,只要在GC Roots中再加上Remembered Set即可防止对所有堆内存的遍历.

## 5.4 G1垃圾收集过程 ##

*  初始标记  
    标记与GC Roots直接关联的对象,停止所有用户线程,只启动一条初始标记线程,这个过程很快.
 *  并发标记  
    进行全面的可达性分析,开启一条并发标记线程与用户线程并行执行.这个过程比较长.
 *  最终标记  
    标记出并发标记过程中用户线程新产生的垃圾.停止所有用户线程,并使用多条最终标记线程并行执行.
 *  筛选回收  
    回收废弃的对象.此时也需要停止一切用户线程,并使用多条筛选回收线程并行执行.  
    ![这里写图片描述][2b407cb7a63bc9c6ce67d5863d68444b.png]

S0/S1的功能由G1中的Survivor region来承载,通过GC日志可以观察到完整的垃圾回收过程如下，其中就有Survivor regions的区域从0个到1个  
![ce92bb3baddb8af14e5cfa1f4737093d.png][]  
红色标识的为G1中的四种region,都处于Heap中.  
G1执行时使用4个worker并发执行，在初始标记时，还是会触发STW,如第一步所示的Pause

[58f4a15c353193eb5d92efd41ade7272.png]: /images/20221119/220486249c9e4dc7aa9a47a0fa5f6bf4.png
[Serial]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/ebed677b68f68e6c61a54c214c29c984.png
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