HotSpot VM垃圾收集器——Serial Parallel CMS G1垃圾收集器的JVM参数、使用说明、GC分析

阳光穿透心脏的1/2处 2024-03-31 09:35 60阅读 0赞

#### 目录 ####

*   *  HotspotVM的垃圾收集器简介
     *   *   *  1. Serial Collector
             *  2. Parallel Collector（throughput collector）
             *  3. Concurrent Mark Sweep Collector（CMS）
             *  4. Garbage-First Garbage Collector（G1）
             *  5. Z Garbage Collector（ZCG）JDK11
     *  JVM参数设置——选择垃圾收集器的组合
     *   *   *  查看GC时用到的命令和JVM参数
             *  查看本机默认JVM信息
             *  \-XX:+UseSerialGC
             *  \-XX:+UseParallelGC
             *  \-XX:+UseParallelOldGC
             *  \-XX:+UseParNewGC
             *  \-XX:+UseConcMarkSweepGC
             *  \-XX:+UseG1GC
     *  总结
     *  参考

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[【JVM学习笔记】JVM内存区域定义与内存结构][JVM_JVM]

[【JVM学习笔记】对象的创建过程、 对象的内存布局、 如何定位和使用对象][JVM_ _]

[【JVM学习笔记】内存回收与内存回收算法 就哪些地方需要回收、什么时候回收、如何回收三个问题进行分析和说明][JVM_]

[HotSpot VM垃圾收集器——Serial Parallel CMS G1垃圾收集器的JVM参数、使用说明、GC分析][HotSpot VM_Serial Parallel CMS G1_JVM_GC]

[【JVM基础内容速查表】JVM基础知识 默认参数 GC命令 工具使用 JVM参数设置、说明、使用方法、注意事项等][JVM_JVM_ _ GC_ _ JVM]

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### HotspotVM的垃圾收集器简介 ###

##### 1. Serial Collector #####

Serial收集器是最基础、历史最悠久的收集器。由一个线程处理所有垃圾收集工作，单线程避免了静态条件，可能会相对的提高工作效率。在单线程处理器，或多线程处理器中需要处理少量数据集（100MB左右）时，有比较明显的优势。

*  **Serail Young**：Serial的新生代垃圾收集器，采用标记-复制算法 。
 *  **Serial Old**：Serial的老年代垃圾收集器，采用标记-整理算法。

![在这里插入图片描述][8b1850771cee4c62a711faf275114413.png]

##### 2. Parallel Collector（throughput collector） #####

是Serial的多线程版，由多线程执行垃圾收集工作，适合在多处理器中处理中大型数据集，特别是在新生代并发执行时，能显著的减少垃圾收集器的开销。

*  **Parallel Young (ParNew)**：Parallel的新生代垃圾收集器，Serail Young的多线程版,它默认开启的收集线程数与处理器核心数量相同（-XX:ParallelGCThreads 可以限制收集线程数），侧重以多线程工作来降低暂停时长，采用标记-复制算法。
 *  **Parallel Young (PSYoungGen或称Parallel Scavenge)**：Parallel的新生代垃圾收集器，与ParNew不同，它是一个以吞吐量优先的并发垃圾收集器，侧重于吞吐量的控制（控制最大垃圾收集停顿时间：-XX:MaxGCPauseMillis、设置吞吐量大小：-XX:GCTimeRatio），采用标记-复制算法。
 *  **Parallel Old**：Parallel的老年代垃圾收集器，Serial Old的多线程版，标记-整理算法。

![在这里插入图片描述][c43c0bdbcd444609be856f59cbd4e0cd.png]

##### 3. Concurrent Mark Sweep Collector（CMS） #####

并发垃圾收集器，适合处理中大型数据集，甚至可以在程序允许时并发的处理大部分工作。这种收集器适用于需要更短暂停时长、对吞吐量要求不高的程序，不过它需要更多的处理器资源以快速处理垃圾收集工作。

*  **CMS**：用于老年代，采用标记-清除算法。 优点：并发收集、低停顿；缺点：需要更多的处理器资源、产生大量空间碎片等。CMS默认启动的回收线程数是（处理器核心数量+3）/4，核心越多占用CPU越少，但是当CPU小于四个时，它占用的处理器资源也就越大。  
    ![在这里插入图片描述][0c8c14d44cce46d39e70dee13532de9b.png]

##### 4. Garbage-First Garbage Collector（G1） #####

G1是一种服务器端的并发垃圾收集器。与CMS相似，G1也适合处理中大型数据集，可以在程序允许时并发的处理大部分工作；不过G1收集器适用于具有大内存的多处理器机器，它在实现高吞吐量的同时，并能以高概率满足垃圾回收暂停时间目标。

*  **G1**：虽然它的目标是取代CMS收集器，但其实G1是一个跨代的垃圾收集器，它将会收集所有区域的内存，因此G1无法与其它收集器组合。关于G1的内存结构可以参考[这篇][Link 1]。

##### 5. Z Garbage Collector（ZCG）JDK11 #####

暂时没有研究，有空了再回来看  
参考：  
[11 The Z Garbage Collector][]  
[An Introduction to ZGC: A Scalable and Experimental Low-Latency JVM Garbage Collector][An Introduction to ZGC_ A Scalable and Experimental Low-Latency JVM Garbage Collector]

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### JVM参数设置——选择垃圾收集器的组合 ###

由于内存分代的出现，每种垃圾收集器，对于不同分代的垃圾回收会分别使用不同的垃圾收集技术。而虚拟机针对不同的现实条件，还可以选用垃圾收集器的部分垃圾收集功能，从而达到不同收集器的组合功能。垃圾收集器也提供了相应的组合VM参数，以达到不同收集器的组合实现。

关于如何启动不同组合的JVM参数，参考后面的内容。

需要注意，**如果不显式的表明使用了哪种收集器，在不同的CPU硬件、操作系统下，会有不同的默认收集器**。

##### 查看GC时用到的命令和JVM参数 #####

> **1. 查看当前机器上默认VM参数**：
> 
> **java -XX:+PrintCommandLineFlags -version**
> 
> --------------------
> 
> **2. 查看指定Java运行程序的JVM参数**（如果设置了JVM参数，将会覆盖上面的默认值）
> 
> **jinfo -flags <pid>**  
> 查询指定参数（options）设置：jinfo -flag <options> <pid>
> 
> --------------------
> 
> **3. 通过jmap查看用了哪种算法的收集器**  
> **jmap -heap <pid>**  
> Windows：jmap -heap <pid> | findstr GC  
> Linux：jmap -heap <pid> | grep GC
> 
> --------------------
> 
> **4. 通过jcmd强制gc**  
> **jcmd <pid> GC.run**  
> 注：可以通过**jcmd <pid>help**来查看程序可以执行的命令
> 
> --------------------
> 
> **5. 启用GC日志**，方便查看GC时使用了什么收集器和收集时的内存信息（JDK8，JDK9后使用-Xlog参数打印日志）
> 
> \-XX:+PrintGC：打印GC时的基本信息  
> \-XX:+PrintGCDetails：打印GC详细信息  
> \-XX:+PrintHeapAtGC：打印GC前后的堆、方法区可用容量的变化  
> \-XX:+PrintGCTimeStamps\*\*：打印GC时间戳
> 
>   
> 
> 
> 已经启动的Java程序，可以通过下面的命令启用上述参数：  
> jinfo -flag +PrintGC <pid>

##### 查看本机默认JVM信息 #####

> **本机配置信息**：  
> 内存：16GB  
> 操作系统：WIN10 x64  
> JDK版本：1.8.0\_171  
> VM：Java HotSpot™ 64-Bit Server VM

D:\Project>java -XX:+PrintCommandLineFlags -version
    -XX:InitialHeapSize=257905728 -XX:MaxHeapSize=4126491648 -XX:+PrintCommandLineFlags 
    -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation 
    -XX:+UseParallelGC
    java version "1.8.0_171"
    Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_171-b11)
    Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.171-b11, mixed mode)

##### \-XX:+UseSerialGC #####

**启用组合**：Serail Young (DefNew) + Serial Old Mark Sweep Compact

查看启用参数和GC内容：

D:\Project>jinfo -flag UseSerialGC 4288
    -XX:+UseSerialGC
    
    D:\Project>jmap -heap 4288 | findstr "GC"
    Mark Sweep Compact GC

查看GC收集器详情：

D:\Project>jcmd 4288 GC.run
    4288:
    Command executed successfully
    
    
    325.368: [Full GC (System.gc()) 325.368: 
    	[Tenured: 32742K->32744K(349568K), 0.0769539 secs] 38309K->32744K(506816K), 
    	[Metaspace: 57305K->57305K(1101824K)], 0.0770048 secs] 
    [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.08 secs]

>  *  **Full GC (System.gc())**：表明本次Full GC的原因是执行了System.gc()命令。
>  *  **Tenured**：老年代收集，一般表明老年代使用的是Serial Old收集器。
>  *  **Metaspace**：元空间收集情况，元空间为非堆，它是位于堆外的一块内存。
>  *  **Times**：本次GC所用时间。

##### \-XX:+UseParallelGC #####

**启用组合**：Parallel Young (PSYoungGen、Parallel Scavenge) + Serial Old Mark Sweep Compact **|** Parallel Old Mark Sweep Compact

> 该JVM参数启用了Parallel Scavenge收集器，同时其老年代收集器默认为Parallel Old，可以通过设置参数来组合其它老年代的收集器。

查看启用参数和GC内容：

D:\Project>jinfo -flag UseParallelGC 15404
    -XX:+UseParallelGC
    
    D:\Project>jmap -heap 15404 | findstr "GC"
    Parallel GC with 10 thread(s)

查看GC收集器详情：

D:\Project>jcmd 15404GC.run
    15404:
    Command executed successfully
    
    
    76.217: [GC (System.gc()) 
    	[PSYoungGen: 2870K->288K(140288K)] 35650K->33075K(489984K), 0.0026375 secs] 
    [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
    
    76.220: 
    [Full GC (System.gc()) 
    	[PSYoungGen: 288K->0K(140288K)] 
    	[ParOldGen: 32787K->31310K(349696K)] 33075K->31310K(489984K), 
    	[Metaspace: 57241K->57241K(1101824K)], 0.0767850 secs] 
    [Times: user=0.22 sys=0.00, real=0.08 secs]

##### \-XX:+UseParallelOldGC #####

**启用组合**：Serail Young (DefNew) **|** Parallel Young (PSYoungGen、Parallel Scavenge) **|** Parallel Young (ParNew)  
\+ Parallel Old Mark Sweep Compact

>  *  JDK 6时才提供Parallel Old收集器。
>  *  该JVM参数，仅启用了Parallel Old收集器，新生代收集器会根据JVM默认参数来设置，也可以通过其它JVM参数指定新生代收集器。
>  *  我的机器默认使用了UseParallelGC参数，所以新生代为PSYoungGen。

查看启用参数和GC内容：

D:\Project>jinfo -flag UseParallelOldGC 4964
    -XX:+UseParallelOldGC
    
    D:\Project>jmap -heap 4964 | findstr "GC"
    Parallel GC with 10 thread(s)

查看GC收集器详情：

D:\Project>jcmd 4964 GC.run
    4964:
    Command executed successfully
    
    675.850: [GC (System.gc()) 
    	[PSYoungGen: 3065K->224K(141312K)] 29892K->27050K(491008K), 0.0026659 secs] 
    [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
    
    675.852: [Full GC (System.gc()) 
    	[PSYoungGen: 224K->0K(141312K)] 
    	[ParOldGen: 26826K->26795K(349696K)] 27050K->26795K(491008K), 
    	[Metaspace: 56938K->56938K(1101824K)], 0.1212485 secs] 
    [Times: user=0.27 sys=0.00, real=0.12 secs]

##### \-XX:+UseParNewGC #####

**启用组合**：Parallel Young (ParNew)  
\+ Serial Old Mark Sweep Compact **|** Parallel Old Mark Sweep Compact **|** Concurrent Mark Sweep (Old)

>  *  除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作。
>  *  ParNew + CMS与ParNew + Serial Old组合，在JDK8被宣布废弃，JDK9取消了对该组合的支持。
>  *  \-XX:+UseParNewGC参数也在JDK9后被直接取消了。

查看启用参数和GC内容：

D:\Project>jinfo -flag UseParNewGC 20052
    -XX:+UseParNewGC
    
    D:\Project>jmap -heap 20052 | findstr "GC"
    Mark Sweep Compact GC

查看GC收集器详情（与serial别无二致，打印的GC日志都一样）：

D:\Project>jcmd 20052 GC.run
    20052:
    Command executed successfully
    
    
    16.495: [GC (Allocation Failure) 16.495: 
    	[ParNew: 156622K->9790K(157248K), 0.0050190 secs] 213221K->66389K(506816K), 0.0050597 secs] 
    [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
    
    
    89.628: [Full GC (System.gc()) 89.628: 
    	[Tenured: 50767K->32723K(349568K), 0.0939450 secs] 83372K->32723K(506816K), 
    	[Metaspace: 57211K->57211K(1101824K)], 0.0940025 secs] 
    [Times: user=0.09 sys=0.00, real=0.09 secs]

> **GC (Allocation Failure）**：表明本次GC的原因是内存分配失败导致的GC，从而进行的新生代垃圾收集（mirrorGC或称youngGC），如果GC后，内存仍无法分配就会尝试对堆进行扩容，如果已到堆的最大容量，那么将进行整堆收集。整堆收集后仍无法为对象分配内存时，就会抛出OOM异常。

##### \-XX:+UseConcMarkSweepGC #####

**启用组合**：Serial Young (DefNew) | Parallel Young (ParNew) + Concurrent Mark Sweep (Old)

>  *  CMS的默认新生代为ParNew。
>  *  ParNew + CMS的组合在JDK8被宣布废弃，JDK9取消了对该组合的支持

查看启用参数和GC内容：

D:\Project>jinfo -flag UseConcMarkSweepGC 7156
    -XX:+UseConcMarkSweepGC
    
    D:\Project>jmap -heap 7156 | findstr "GC"
    Concurrent Mark-Sweep GC

查看GC收集器详情：

D:\Project>jcmd 7156 GC.run
    7156:
    Command executed successfully
    
    18.303: [GC (Allocation Failure) 18.303: 
    	[ParNew: 153906K->13619K(157248K), 0.0094748 secs] 159600K->23724K(506816K), 0.0095149 secs] 
    [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs] 
    
    
    111.118: [Full GC (System.gc()) 111.118: 
    	[CMS: 35564K->31991K(349568K), 0.0956757 secs] 37072K->31991K(506816K), 
    	[Metaspace: 57246K->57246K(1101824K)], 0.0957642 secs] 
    [Times: user=0.09 sys=0.00, real=0.10 secs]

##### \-XX:+UseG1GC #####

**启用G1收集器**

查看启用参数和GC内容：

D:\Project>jinfo -flag UseG1GC 14300
    -XX:+UseG1GC
    
    D:\Project>jmap -heap 14300 | findstr "GC"
    Garbage-First (G1) GC with 10 thread(s)

查看GC收集器详情：

D:\Project>jcmd 14300 GC.run
    14300:
    Command executed successfully
    
    91.976: [Full GC (System.gc())  65M->31M(512M), 0.1022988 secs]
       [Eden: 23.0M(284.0M)->0.0B(307.0M) Survivors: 23.0M->0.0B Heap: 65.8M(512.0M)->31.6M(512.0M)], 
       [Metaspace: 57227K->57206K(1101824K)]
     [Times: user=0.11 sys=0.00, real=0.11 secs]

>  *  **Eden**：新生代收集情况。
>  *  **Survivors**：幸存区收集情况。
>  *  **Heap**：整个堆空间收集情况。

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### 总结 ###

这一篇博客只是介绍了实际环境中，可能用到哪些收集器，并对这些收集器的优劣、组合关系做了分析，同时也分享了一些实际运行环境中可能用到的命令和参数。最后对如何启用收集器的组合参数做了一些说明。

有关每种收集器的详细内容并未做过多的分析，因为每一种收集器涉及的知识量都比较广，如果对某种收集器有浓厚的兴趣，可以参考这[官网的收集器说明][Link 2]，里面详细的介绍了每种收集器的实现原理和具体参数设置等，也可以参考周志明作的深入理解Java虚拟机一书。

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### 参考 ###

深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）周志明  
[java 8 doc][]  
[javase doc][]  
[Java HotSpot VM][]  
[memorymanagement][]  
[Java Virtual Machine Technology][]  
[Java Hotspot G1 GC的一些关键技术][Link 1]  
[Java HotSpot Equivalents of Exact VM Flags][]  
[Java Platform, Standard Edition Documentation][javase doc]  
[Java Platform, Standard Edition HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide][Java Virtual Machine Technology]

[JVM_JVM]: https://blog.csdn.net/HO1_K/article/details/127899922
[JVM_ _]: https://blog.csdn.net/HO1_K/article/details/127738347
[JVM_]: https://blog.csdn.net/HO1_K/article/details/127852494
[HotSpot VM_Serial Parallel CMS G1_JVM_GC]: https://blog.csdn.net/HO1_K/article/details/127958081
[JVM_JVM_ _ GC_ _ JVM]: https://blog.csdn.net/HO1_K/article/details/127883411
[8b1850771cee4c62a711faf275114413.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/31/48bfa7cf4cc04db99780fb77545b2f0b.png
[c43c0bdbcd444609be856f59cbd4e0cd.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/31/e109c90d3def415c9601ab54af93f8bf.png
[0c8c14d44cce46d39e70dee13532de9b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/31/b48c5108550b436993092e83cd5f2dd2.png
[Link 1]: https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html
[11 The Z Garbage Collector]: https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/gctuning/z-garbage-collector1.html#GUID-A5A42691-095E-47BA-B6DC-FB4E5FAA43D0
[An Introduction to ZGC_ A Scalable and Experimental Low-Latency JVM Garbage Collector]: https://www.baeldung.com/jvm-zgc-garbage-collector
[Link 2]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/index.html
[java 8 doc]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/windows/java.html#BABDJJFI
[javase doc]: https://docs.oracle.com/en/java/javase/index.html
[Java HotSpot VM]: https://www.oracle.com/java/technologies/javase/vmoptions-jsp.html
[memorymanagement]: https://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/memorymanagement-whitepaper-1-150020.pdf
[Java Virtual Machine Technology]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/index.html
[Java HotSpot Equivalents of Exact VM Flags]: https://www.oracle.com/java/technologies/javase/exactoptions-jsp.html