JVM基础系列第9讲：JVM垃圾回收器

2021-08-22 03:35:34

前面文章中，我们介绍了 Java 虚拟机的内存结构，Java 虚拟机的垃圾回收机制，那么这篇文章我们说说具体执行垃圾回收的垃圾回收器。

总的来说，Java 虚拟机的垃圾回收器可以分为四大类别：串行回收器、并行回收器、CMS 回收器、G1 回收器。

串行回收器

串行回收器是指使用单线程进行垃圾回收的回收器。因为每次回收时只有一个线程，因此串行回收器在并发能力较弱的计算机上，其专注性和独占性的特点往往能让其有更好的性能表现。

串行回收器可以在新生代和老年代使用，根据作用于不同的堆空间，分为新生代串行回收器和老年代串行回收器。

新生代串行回收器

串行收集器是所有垃圾回收器中最古老的一种，也是 JDK 中最基本的垃圾回收器之一。

在新生代串行回收器中使用的是复制算法。在串行回收器进行垃圾回收时，会触发 Stop-The-World 现象，即其他线程都需要暂停，等待垃圾回收完成。因此在某些情况下，其会造成较为糟糕的用户体验。

使用 -XX:+UseSerialGC 参数可以指定使用新生代串行收集器和老年代串行收集器。当虚拟机在 Client 模式下运行时，其默认使用该垃圾收集器。

老年代串行回收器

在老年代串行回收器中使用的是标记压缩算法。其与新生代串行收集器一样，只能串行、独占式地进行垃圾回收，因此也经常会有较长时间的 Stop-The-World 发生。

但老年代串行回收器的好处之一，就是其可以与多种新生代回收器配合使用。若要启用老年代串行回收器，可以尝试以下参数：

  • -XX:UseSerialGC：新生代、老年代都使用串行回收器。
  • -XX:UseParNewGC：新生代使用 ParNew 回收器，老年代使用串行回收器。
  • -XX:UseParallelGC：新生代使用 ParallelGC 回收器，老年代使用串行回收器。

并行回收器

并行回收器在串行回收器的基础上做了改进，其使用多线程进行垃圾回收。对于并行能力强的机器，可以有效缩短垃圾回收所使用的时间。

根据作用内存区域的不同，并行回收器也有三个不同的回收器：新生代 ParNew 回收器、新生代 ParallelGC 回收器、老年代 ParallelGC 回收器。

新生代 ParNew 回收器

新生代 ParNew 回收器工作在新生代，其只是简单地将串行回收器多线程化，其回收策略、算法以及参数和新生代串行回收器一样。

新生代 ParNew 回收器同样使用复制的垃圾回收算法，其垃圾收集过程中同样会触发 Stop-The-World 现象。但因为其使用多线程进行垃圾回收，因此在并发能力强的 CPU 上，其产生的停顿时间要短于串行回收器。

但在单 CPU 或并能能力弱的系统中，并行回收器效果会因为线程切换的原因，其实际表现反而不如串行回收器。

要开启新生代 ParNew 回收器，可以使用以下参数：

  • -XX:+UseParNewGC：新生代使用 ParNew 回收器，老年代使用串行回收器。
  • -XX:UseConcMarkSweepGC：新生代使用 ParNew 回收器，老年代使用 CMS。
  • -XX:ParallelGCThreads：指定 ParNew 回收器的工作线程数量。

新生代 Parallel GC 回收器

新生代 Parallel GC 回收器与新生代 ParNew 回收器非常类似，其也是使用复制算法，都是多线程、独占式的收集器，也会导致 Stop-The-World。但其余 ParNew 回收器的一个重大不同是：其非常注重系统的吞吐量。

之所以说新生代 Parallel GC 回收器非常注重系统吞吐量，是因为其有一个自适应 GC 调节策略。我们可以使用 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy 参数打开这个策略，在这个模式下，新生代的大小、Eden 和 Survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等参数都会被自动调节，已达到堆大小、吞吐量、停顿时间的平衡点。

Parallel GC 回收器提供了两个重要参数用于控制系统的吞吐量。

  • -XX:MaxGCPauseMillis：设置最大垃圾收集停顿时间。在 ParallelGC 工作时，其会自动调整响应参数，将停顿时间控制在设置范围内。为了达到目的，其可能会使用较小的堆，但这会导致 GC 较为频繁。
  • -XX:GCTimeRatio：设置吞吐量大小，其实一个 0 - 100 的整数。假设 GCTimeRatio 的值为 n，那么系统将不花费超过 1/(1+n) 的时间用于垃圾手机。比如 GCTimeRatio 值为 19，那么系统用于垃圾收集的时间不超过 1 /(1+19) = 5%。默认情况下，它的取值是 99，即不超过 1% 的时间用于垃圾收集。

新生代 Parallel GC 回收器可以使用以下参数启用：

  • -XX:+UseParallelGC：新生代使用 Parallel 回收器，老年代使用串行回收器。
  • -XX:+UseParallelOldGC：新生代使用 ParallelGC 回收器，老年代使用 ParallelOldGC 回收器。

老年代 ParallelOldGC 回收器

老年代 ParallelOldGC 回收器也是一种多线程并发的回收器，与新生代 ParallelGC 收集器一样，其也是注重吞吐量的收集器，只不过其是作用于老年代。

ParallelOldGC 回收器使用的是标记压缩算法，只有在 JDK 1.6 中才可以使用。我们可以使用-XX:UseParallelOldGC参数在新生代中使用 ParallelGC 收集器，在老年代中使用 ParallelOldGC 收集器。参数 -XX:ParallelGCThreads也可以用于设置垃圾回收时的线程数量。

CMS 回收器

与 ParallelGC 和 ParallelOldGC 不同，CMS 回收器主要关注系统停顿时间。CMS 回收器全称为 Concurrent Mark Sweep，意为标记清除算法，其是一个使用多线程并行回收的垃圾回收器。

工作步骤

CMS 的主要工作步骤有：初始标记、并发标记、预清理、重新标记、并发清除和并发充值。其中初始标记和重新标记是独占系统资源的，而其他阶段则可以和用户线程一起执行。

在整个 CMS 回收过程中，默认情况下会有预清理的操作，我们可以关闭开关 -XX:-CMSPrecleaningEnabled 不进行预清理。因为重新标记是独占 CPU 的，因此如果新生代 GC 发生之后，立刻出发一次新生代 GC，那么停顿时间就会很长。为了避免这种情况，预处理时会刻意等待一次新生代 GC 的发生，之后在进行预处理。

主要参数

启动 CMS 回收器刻意使用参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC，线程并发数量刻意通过 -XX:ConcGCThreads 或 -XX:ParallelCMSThreads 参数设定。

此外，我们还可以设置 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 来指定老年代空间使用阈值。当老年代空间使用率达到这个阈值时，会执行一次 CMS 回收，而不像其他回收器一样等到内存不够用的时候才进行 GC。

我们之前说过标记清除算法的缺点是会产生内存碎片，因此 CMS 回收器会产生较多内存碎片。我们可以使用 XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 参数让 CMS 在完成垃圾回收后，进行一次内存碎片整理。使用 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 参数设置进行多少次 CMS 回收后，进行一次内存压缩。

此外，如果希望使用 CMS 回收 Perm 区，那么则可以打开 -XX:+CMSClassUnloadingEnabled 开关。打开该开关后，如果条件允许，那么系统会使用 CMS 的机制回收 Perm 区 Class 数据。

G1 回收器

G1 回收器是 JDK 1.7 中使用的全新垃圾回收器，从长期目标来看，其是为了取代 CMS 回收器。

G1 回收器拥有独特的垃圾回收策略，和之前所有垃圾回收器采用的垃圾回收策略不同。从分代看，G1 依然属于分代垃圾回收器。但它最大的改变是使用了分区算法，从而使得 Eden 区、From 区、Survivor 区和老年代等各块内存不必连续。

在 G1 回收器之前，所有的垃圾回收器其内存分配都是连续的一块内存，如下图所示。

JVM基础系列第9讲：JVM垃圾回收器

而在 G1 回收器中，其将一大块的内存分为许多细小的区块，从而不要求内存是连续的。

JVM基础系列第9讲：JVM垃圾回收器

从上图可以看到，每个Region被标记了 E、S、O 和 H，说明每个 Region 在运行时都充当了一种角色。所有标记为 E 的都是 Eden 区的内存，它们散落在内存的各个角落，并不要求内存连续。同理，Survivor 区、老年代（Old）也是如此。

从上图我们还可以看到 H 是以往算法中没有的，它代表 Humongous。这表示这些 Region 存储的是巨型对象（humongous object，H-obj），当新建对象大小超过 Region 大小一半时，直接在新的一个或多个连续 Region 中分配，并标记为 H。

堆内存中一个 Region 的大小可以通过 -XX:G1HeapRegionSize 参数指定，大小区间只能是1M、2M、4M、8M、16M 和 32M，总之是2的幂次方。如果G1HeapRegionSize 为默认值，即把设置的最小堆内存按照2048份均分，最后得到一个合理的大小。

工作步骤

G1 收集器的收集过程主要有四个阶段：

  • 新生代 GC
  • 并发标记周期
  • 混合收集
  • 如果需要，可能进行 FullGC

新生代 GC 与其他垃圾收集器的类似，就是清空 Eden 区，将存活对象移动到 Survivor 区，部分年龄到了就移动到老年代。

并发标记周期则分为：初始标记、根区域扫描、并发标记、重新标记、独占清理、并发清理阶段。其中初始标记、重新标记、独占清理是独占式的，会引起停顿。并且初始标记会引发一次新生代 GC。在这个阶段，所有将要被回收的区域会被 G1 记录在一个称之为 Collection Set 的集合中。

混合回收阶段会首先针对 Collection Set 中的内存进行回收，因为这些垃圾比例较高。G1 回收器的名字 Garbage First 就是这个意思，垃圾优先处理的意思。在混合回收的时候，也会执行多次新生代 GC 和 混合 GC，从而来进行内存的回收。

必要时进行 Full GC。当在回收阶段遇到内存不足时，G1 会停止垃圾回收并进行一次 Full GC，从而腾出更多空间进行垃圾回收。

相关参数

打开 G1 收集器，我们可以使用参数：`-XX:+UseG1GC。

设置目标最大停顿时间，可以使用参数：-XX:MaxGCPauseMillis。

设置 GC 工作线程数量，可以使用参数：-XX:ParallelGCThreads。

设置堆使用率触发并发标记周期的执行，可以使用参数：-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent。

总结

从一开始的串行回收器，到后来的并行回收器、CMS回收器，到最后的 G1 回收器，垃圾回收器不断改进，使得垃圾回收效率不断提升。特别是分区思想诞生后，对于垃圾回收停顿时间的控制更加细腻，可以让应用有更完美的延时控制，从而呈现更好的用户体验。

JVM基础系列第9讲：JVM垃圾回收器

参考资料

G1 垃圾收集器介绍 - ImportNew

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