浅谈JVM GC算法、垃圾收集器及如何选择

待我称王封你为后i 2023-01-01 06:52 105阅读 0赞

## 引言 ##

GC算法（引用计数/复制/标记清除/标记整理）是内存回收的方法论，垃圾收集器就是算法的落地实现。目前还没有完美的收集器，只是针对具体应用最合适的收集器，进行分代收集。

## 四大GC算法 ##

**引用计数**：每次对对象赋值时均要维护引用计数器，且计数器本身也有一定的消耗，较难处理循环引用，JVM的实现一般不会采用这种方式。

**复制算法**：复制–>清空–>互换 --如此15次后如果还有对象存活则进入老年代（JVM参数MaxTenuringThreshold默认为15）  
1 复制(eden、survivorFrom复制到survivorTo，年龄+1)  
当Eden区满时会触发第一次GC，将活着的对象拷贝到SurvivorFrom区；当Eden再次插法GC时会扫描Eden区和SurvivorFrom区，对这两个区域进行垃圾回收，经过这次回收还存活的对象将被拷贝到To区域(如果已经有对象的年龄已经达到了老年标准则直接复制到老年代)，同时把对象的年龄+1；  
2 清空eden 和survivorFrom区  
3 互换survivorFrom与survivorTo(谁空谁是To)

优点：没有内存碎片 ； 缺点：有点浪费内存空间(survivorTo)且大对象复制耗时

**标记清除**：先标记出要回收的对象，然后统一回收这些对象。  
优点：对象的标记没有大面积复制，节约内存空间  
缺点： 产生内存碎片

**标记整理**：1. 标记 2. 压缩，再次扫描并往一端移动存活对象  
有点：没有内存碎片 缺点：增加移动对象的成本

总结：新生代收集：复制； 老年代收集：标记清除&标记整理。

## 四大垃圾收集方式 ##

1 串行垃圾回收器（Serial）：只使用一个GC线程进行回收，会暂停所有的用户线程，不适合服务器环境。  
2 并行垃圾回收器（Parallel）：多个GC线程进行垃圾回收，也会暂停所有用户线程，适用与和前台交互不强的场景，如科学计算/大数据处理等若交互场景。  
3 并发垃圾回收器（CMS）：用户线程和GC线程同时执行（并不一定时并行，可交替执行），不需要停顿用户线程，互联网公司使用较多，适用于对相应时间有要求的场景。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
4 G1垃圾回收器：将内存分割成不同的区域，然后并发的对其进行垃圾回收。

## 七大垃圾收集器 ##

首先如何查看环境默认的垃圾收集器：  
java -XX:+PrintCommandLineFlags -version  
![在这里插入图片描述][2019062623572181.png]  
七种垃圾收集器：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
在GC日志中出现的一些参数与垃圾收集器和分代的关系：  
DefNew Serial 新生代  
Tenured SerialOld 老年代  
ParNew ParallelNew 新生代  
PSYongGen Parallel Scavenge 新生代  
ParOld ParallelOld 老年代

**1、Serial串行收集器**：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
Serial时最古老的收集器，最稳定以及高效，由于只使用单个线程进行垃圾收集可能产生较长时间的停顿。了解即可，工作中不会使用。  
JVM参数： -XX:+UseSerialGC  
开启后会使用：Serial（yong区）+ SerialOld（old区）  
表示新生代和老年代都会使用串行收集器，新生代使用复制算法，老年代使用复制整理算法。  
演示：JVM参数配置：  
\-Xms10m -Xmx10m -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC

public class GCDemo {
    	public static void main(String[] args) {
    		try {
    			byte[] a = new byte[20 * 1024 * 1024];
    		}
    		catch(Exception e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    	}
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**2、PraNew并行收集器**  
![在这里插入图片描述][20190627004638516.png]  
ParNew收集器是Serial收集器的新生代的并行多线程版本，最常见的应用场景是配合老年代的CMS GC工作，其余的行为和Serial收集器一样，同样需要暂停用户线程，他是很多java虚拟机运行在server模式下新生代的默认垃圾收集器。

JVM参数：-XX:+UseParNewGC 启用ParNew只影响新生代的收集，不影响老年代。 -XX:ParallelGCThreads 设置并行GC线程数，默认开启和CPU数目相同的线程数  
开启上述参数后会使用：ParNew（Yong） + SerialOld（old） 此搭配java已废弃  
新生代算法：复制， 老年代算法：标记整理；

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
**3、Parallel Scavenge并行收集器**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
Parallel Scavenge收集器类似与ParNew，新生代–复制算法，是一个并行多线程垃圾收集器，俗称吞吐量有限收集器。

主要特点：  
**可控制的吞吐量**：用户线程运行时间/（GC线程运行时间 + 用户线程运行时间），比如：程序运行100分钟，垃圾收集时间1分钟，则吞吐量为99%。高吞吐量意味者高效的使用CPU，多用于后台计算而不需要太多交互的任务。  
**自适应调节策略**也是ParNew与ParallelScavenge的一个重要区别，虚拟机会根据当前系统运行的情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间(-XX:+MaxGCPauseMillis)或最大的吞吐量。  
JVM参数：-XX:+UseParallelGC(此参数同时激活-XX:+UseParallelOldGC–老年代)  
开启此参数：新生代：复制； 老年代：标记整理； -XX:+ParallelGCThreads = N,表示开启多少个GC线程，cpu>8 N=5/8; cpu <8 N=实际个数  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
**4、Parallel Old收集器**  
Parallel Old收集器是Parallel Scavenge的老年代版本，使用标记整理算法，在JDK1.6才开始提供。在JDK1.6之前Parallel Scavenge只能搭配老年代的Serial Old收集器，只能保证新生代的吞吐量优先，无法保证整体的吞吐量。

对系统吞吐量要求比较高，JDK1.8后可有限考虑新生代Parallel Scavenge +老年代Parallel Old的搭配策略。  
JVM参数：-XX:+UseParallelOldGC，开启此参数会激活-XX:+UseParallelGC.

**5、CMS（Concurrent Mark Sweep：并发标记清除收集器）**  
是一种以获取最短回收停顿时间为目的的收集器。适用于互联网站或者B/S系统的服务器上，此类引用重视响应速度，希望停顿时间短。CMS非常适合对内存大，CPU核数多的服务器应用，也是G1出现之前大型应用的首选收集器。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
共四步：初始标记–>并发标记—>重新标记—>并发消除  
**初始标记(CMS initail mark)**:只是标记GC Roots能直接关联的对象，速度快，仍需要暂停用户线程；  
**并发标记(CMS concurrent mark)** 和用户线程一起:执行GC Roots跟踪的过程，不会暂停用户线程，主要标记过程，标记全部对象；  
**重新标记(CMS remark)**:由于并发标记时，用户线程仍然运行，因此在清理前再次修正，需暂停用户线程；  
**并发清除(CMS concurrent sweep)** 和用户线程一起:清除GC Roots不可达对象，基于标记的结果直接清除，不需要暂停用户线程。

由于耗时最长的并发标记和并发清除过程中不会暂停用户线程，总体上CMS收集器的内存回收和用户线程是一起并发的执行。

**优势：并发收集停顿低，并发指GC线程与用户线程一起执行。  
缺点：并发执行对CPU压力大，采用标记清除算法会导致内存碎片。**  
JVM参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC，开启此参数默认激活-XX:+UseParNewGC，使用ParNew（yong）+CMS（Old）+SerialOld收集器的组合，Serial Old将作为CMS出错的后备收集器。

由于标记清除无法整理内存碎片，老年代迟早被逐步耗尽，如果CMS回收失败，将会触发担保机制，Serial Old将会以STW的方式进行一次GC，从而造成较长时间停顿。CMS提供了-XX:CMSFullGCBeForeCompaction（默认为0，即每次都进行内存整理）来指定多少次CMS收集之后进行依次压缩的Full GC.  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzODExMA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
**6、Serial Old收集器** — java8已废弃，了解  
是Serial收集的老年代版本，单线程，标记整理。  
在server模式下主要有两个用途：  
1.在JDK1.5之前与新生代的Parallel Scavenge搭配使用  
2.作为老年代的CMS收集器的后备垃圾收集方案。

## 如何选择垃圾收集器 ##

1、单CPU或者小内存，单机程序 — -XX:+UseSerialGC  
2、多CPU，需要大吞吐量，如后台计算型应用  
\-XX:+UseParallelGC + -XX:+UseParallelOldGC  
3、多CPU，追求低停顿时间，快速响应如互联网应用  
\-XX:+UseParNewGC + -XX:+UseConcMarkSweepGC

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