JVM快速調優手冊v1.0之二:常見的垃圾收集器

如果說收集演算法是記憶體回收的方法論，那麼垃圾收集器就是記憶體回收的具體實現。

Java虛擬機器規範中對垃圾收集器應該如何實現並沒有任何規定，因此不同的廠商、不同版本的虛擬機器所提供的垃圾收集器都可能會有很大差別，並且一般都會提供引數供使用者根據自己的應用特點和要求組合出各個年代所使用的收集器。

圖中展示了7種作用於不同分代的收集器，如果兩個收集器之間存在連線，就說明它們可以搭配使用。虛擬機器所處的區域，則表示它是屬於新生代收集器還是老年代收集器。

概念理解

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1. 併發和並行
   這兩個名詞都是併發程式設計中的概念，在談論垃圾收集器的上下文語境中，它們可以解釋如下。

   • 並行（Parallel）：指多條垃圾收集執行緒並行工作，但此時使用者執行緒仍然處於等待狀態。

   • 併發（Concurrent）：指使用者執行緒與垃圾收集執行緒同時執行（但不一定是並行的，可能會交替執行），使用者程式在繼續執行，而垃圾收集程式執行於另一個CPU上。

2. Minor GC 和 Full GC

   • 新生代GC（Minor GC）：指發生在新生代的垃圾收集動作，因為Java物件大多都具備朝生夕滅的特性，所以Minor GC非常頻繁，一般回收速度也比較快。

   • 老年代GC（Major GC / Full GC）：指發生在老年代的GC，出現了Major GC，經常會伴隨至少一次的Minor GC（但非絕對的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略裡就有直接進行Major GC的策略選擇過程）。Major GC的速度一般會比Minor GC慢10倍以上。

3. 吞吐量
   吞吐量就是CPU用於執行使用者程式碼的時間與CPU總消耗時間的比值，即吞吐量 = 執行使用者程式碼時間 /（執行使用者程式碼時間 + 垃圾收集時間）。
   虛擬機器總共執行了100分鐘，其中垃圾收集花掉1分鐘，那吞吐量就是99%。

一、Serial收集器

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Serial收集器是最基本、發展歷史最悠久的收集器，曾經（在JDK 1.3.1之前）是虛擬機器新生代收集的唯一選擇。

1. 特性：
   這個收集器是一個單執行緒的收集器，但它的“單執行緒”的意義並不僅僅說明它只會使用一個CPU或一條收集執行緒去完成垃圾收集工作，更重要的是在它進行垃圾收集時，必須暫停其他所有的工作執行緒，直到它收集結束。Stop The World

2. 應用場景：
   Serial收集器是虛擬機器執行在Client模式下的預設新生代收集器。

3. 優勢：
   簡單而高效（與其他收集器的單執行緒比），對於限定單個CPU的環境來說，Serial收集器由於沒有執行緒互動的開銷，專心做垃圾收集自然可以獲得最高的單執行緒收集效率。

二、ParNew收集器

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1. 特性：
   ParNew收集器其實就是Serial收集器的多執行緒版本，除了使用多條執行緒進行垃圾收集之外，其餘行為包括Serial收集器可用的所有控制引數、收集演算法、Stop The World、物件分配規則、回收策略等都與Serial收集器完全一樣，在實現上，這兩種收集器也共用了相當多的程式碼。

2. 應用場景：
   ParNew收集器是許多執行在Server模式下的虛擬機器中首選的新生代收集器。

   很重要的原因是：除了Serial收集器外，目前只有它能與CMS收集器配合工作。
   在JDK 1.5時期，HotSpot推出了一款在強互動應用中幾乎可認為有劃時代意義的垃圾收集器——CMS收集器，這款收集器是HotSpot虛擬機器中第一款真正意義上的併發收集器，它第一次實現了讓垃圾收集執行緒與使用者執行緒同時工作。
   不幸的是，CMS作為老年代的收集器，卻無法與JDK 1.4.0中已經存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工作，所以在JDK 1.5中使用CMS來收集老年代的時候，新生代只能選擇ParNew或者Serial收集器中的一個。

3. Serial收集器 VS ParNew收集器：
   ParNew收集器在單CPU的環境中絕對不會有比Serial收集器更好的效果，甚至由於存線上程互動的開銷，該收集器在透過超執行緒技術實現的兩個CPU的環境中都不能百分之百地保證可以超越Serial收集器。
   然而，隨著可以使用的CPU的數量的增加，它對於GC時系統資源的有效利用還是很有好處的。

三、Parallel Scavenge收集器

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1. 特性：
   Parallel Scavenge收集器是一個新生代收集器，它也是使用複製演算法的收集器，又是並行的多執行緒收集器。

2. 應用場景：
   停頓時間越短就越適合需要與使用者互動的程式，良好的響應速度能提升使用者體驗，而高吞吐量則可以高效率地利用CPU時間，儘快完成程式的運算任務，主要適合在後臺運算而不需要太多互動的任務。

3. 對比分析：

   • Parallel Scavenge收集器 VS CMS等收集器：
     Parallel Scavenge收集器的特點是它的關注點與其他收集器不同，CMS等收集器的關注點是儘可能地縮短垃圾收集時使用者執行緒的停頓時間，而Parallel Scavenge收集器的目標則是達到一個可控制的吞吐量（Throughput）。
     由於與吞吐量關係密切，Parallel Scavenge收集器也經常稱為“吞吐量優先”收集器。

   • Parallel Scavenge收集器 VS ParNew收集器：
     Parallel Scavenge收集器與ParNew收集器的一個重要區別是它具有自適應調節策略。

     GC自適應的調節策略：
     Parallel Scavenge收集器有一個引數-XX:+UseAdaptiveSizePolicy。當這個引數開啟之後，就不需要手工指定新生代的大小、Eden與Survivor區的比例、晉升老年代物件年齡等細節引數了，虛擬機器會根據當前系統的執行情況收集效能監控資訊，動態調整這些引數以提供最合適的停頓時間或者最大的吞吐量，這種調節方式稱為GC自適應的調節策略（GC Ergonomics）。

四、Serial Old收集器

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1. 特性：
   Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同樣是一個單執行緒收集器，使用標記－整理演算法。

2. 應用場景：

   • Client模式
     Serial Old收集器的主要意義也是在於給Client模式下的虛擬機器使用。

   • Server模式
     如果在Server模式下，那麼它主要還有兩大用途：一種用途是在JDK 1.5以及之前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用，另一種用途就是作為CMS收集器的後備預案，在併發收集發生Concurrent Mode Failure時使用。

五、Parallel Old收集器

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1. 特性：
   Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多執行緒和“標記－整理”演算法。

2. 應用場景：
   在注重吞吐量以及CPU資源敏感的場合，都可以優先考慮Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。

   這個收集器是在JDK 1.6中才開始提供的，在此之前，新生代的Parallel Scavenge收集器一直處於比較尷尬的狀態。原因是，如果新生代選擇了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old收集器外別無選擇（Parallel Scavenge收集器無法與CMS收集器配合工作）。由於老年代Serial Old收集器在服務端應用效能上的“拖累”，使用了Parallel Scavenge收集器也未必能在整體應用上獲得吞吐量最大化的效果，由於單執行緒的老年代收集中無法充分利用伺服器多CPU的處理能力，在老年代很大而且硬體比較高階的環境中，這種組合的吞吐量甚至還不一定有ParNew加CMS的組合“給力”。直到Parallel Old收集器出現後，“吞吐量優先”收集器終於有了比較名副其實的應用組合。

六、CMS收集器

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1. 特性：
   CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。目前很大一部分的Java應用集中在網際網路站或者B/S系統的服務端上，這類應用尤其重視服務的響應速度，希望系統停頓時間最短，以給使用者帶來較好的體驗。CMS收集器就非常符合這類應用的需求。

   
   

   
   CMS收集器是基於“標記—清除”演算法實現的，它的運作過程相對於前面幾種收集器來說更復雜一些，整個過程分為4個步驟：

   • 初始標記（CMS initial mark）
     初始標記僅僅只是標記一下GC Roots能直接關聯到的物件，速度很快，需要“Stop The World”。

   • 併發標記（CMS concurrent mark）
     併發標記階段就是進行GC Roots Tracing的過程。

   • 重新標記（CMS remark）
     重新標記階段是為了修正併發標記期間因使用者程式繼續運作而導致標記產生變動的那一部分物件的標記記錄，這個階段的停頓時間一般會比初始標記階段稍長一些，但遠比並發標記的時間短，仍然需要“Stop The World”。

   • 併發清除（CMS concurrent sweep）
     併發清除階段會清除物件。

   由於整個過程中耗時最長的併發標記和併發清除過程收集器執行緒都可以與使用者執行緒一起工作，所以，從總體上來說，CMS收集器的記憶體回收過程是與使用者執行緒一起併發執行的。

2. 優點：
   CMS是一款優秀的收集器，它的主要優點在名字上已經體現出來了：併發收集、低停頓。

3. 缺點：

   • CMS收集器對CPU資源非常敏感
     其實，面向併發設計的程式都對CPU資源比較敏感。在併發階段，它雖然不會導致使用者執行緒停頓，但是會因為佔用了一部分執行緒（或者說CPU資源）而導致應用程式變慢，總吞吐量會降低。
     CMS預設啟動的回收執行緒數是（CPU數量+3）/ 4，也就是當CPU在4個以上時，併發回收時垃圾收集執行緒不少於25%的CPU資源，並且隨著CPU數量的增加而下降。但是當CPU不足4個（譬如2個）時，CMS對使用者程式的影響就可能變得很大。

   • CMS收集器無法處理浮動垃圾
     CMS收集器無法處理浮動垃圾，可能出現“Concurrent Mode Failure”失敗而導致另一次Full GC的產生。

     由於CMS併發清理階段使用者執行緒還在執行著，伴隨程式執行自然就還會有新的垃圾不斷產生，這一部分垃圾出現在標記過程之後，CMS無法在當次收集中處理掉它們，只好留待下一次GC時再清理掉。這一部分垃圾就稱為“浮動垃圾”。
     也是由於在垃圾收集階段使用者執行緒還需要執行，那也就還需要預留有足夠的記憶體空間給使用者執行緒使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那樣等到老年代幾乎完全被填滿了再進行收集，需要預留一部分空間提供併發收集時的程式運作使用。要是CMS執行期間預留的記憶體無法滿足程式需要，就會出現一次“Concurrent Mode Failure”失敗，這時虛擬機器將啟動後備預案：臨時啟用Serial Old收集器來重新進行老年代的垃圾收集，這樣停頓時間就很長了。

   • CMS收集器會產生大量空間碎片
     CMS是一款基於“標記—清除”演算法實現的收集器，這意味著收集結束時會有大量空間碎片產生。

     空間碎片過多時，將會給大物件分配帶來很大麻煩，往往會出現老年代還有很大空間剩餘，但是無法找到足夠大的連續空間來分配當前物件，不得不提前觸發一次Full GC。

七、G1收集器

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1. 特性：
   G1（Garbage-First）是一款面向服務端應用的垃圾收集器。HotSpot開發團隊賦予它的使命是未來可以替換掉JDK 1.5中釋出的CMS收集器。與其他GC收集器相比，G1具備如下特點。

   • 並行與併發
     G1能充分利用多CPU、多核環境下的硬體優勢，使用多個CPU來縮短Stop-The-World停頓的時間，部分其他收集器原本需要停頓Java執行緒執行的GC動作，G1收集器仍然可以透過併發的方式讓Java程式繼續執行。

   • 分代收集
     與其他收集器一樣，分代概念在G1中依然得以保留。雖然G1可以不需要其他收集器配合就能獨立管理整個GC堆，但它能夠採用不同的方式去處理新建立的物件和已經存活了一段時間、熬過多次GC的舊物件以獲取更好的收集效果。

   • 空間整合
     與CMS的“標記—清理”演算法不同，G1從整體來看是基於“標記—整理”演算法實現的收集器，從區域性（兩個Region之間）上來看是基於“複製”演算法實現的，但無論如何，這兩種演算法都意味著G1運作期間不會產生記憶體空間碎片，收集後能提供規整的可用記憶體。這種特性有利於程式長時間執行，分配大物件時不會因為無法找到連續記憶體空間而提前觸發下一次GC。

   • 可預測的停頓
     這是G1相對於CMS的另一大優勢，降低停頓時間是G1和CMS共同的關注點，但G1除了追求低停頓外，還能建立可預測的停頓時間模型，能讓使用者明確指定在一個長度為M毫秒的時間片段內，消耗在垃圾收集上的時間不得超過N毫秒。

   在G1之前的其他收集器進行收集的範圍都是整個新生代或者老年代，而G1不再是這樣。使用G1收集器時，Java堆的記憶體佈局就與其他收集器有很大差別，它將整個Java堆劃分為多個大小相等的獨立區域（Region），雖然還保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔離的了，它們都是一部分Region（不需要連續）的集合。

   G1收集器之所以能建立可預測的停頓時間模型，是因為它可以有計劃地避免在整個Java堆中進行全區域的垃圾收集。G1跟蹤各個Region裡面的垃圾堆積的價值大小（回收所獲得的空間大小以及回收所需時間的經驗值），在後臺維護一個優先列表，每次根據允許的收集時間，優先回收價值最大的Region（這也就是Garbage-First名稱的來由）。這種使用Region劃分記憶體空間以及有優先順序的區域回收方式，保證了G1收集器在有限的時間內可以獲取儘可能高的收集效率。

2. 執行過程：
   G1收集器的運作大致可劃分為以下幾個步驟：

   • 初始標記（Initial Marking）
     初始標記階段僅僅只是標記一下GC Roots能直接關聯到的物件，並且修改TAMS（Next Top at Mark Start）的值，讓下一階段使用者程式併發執行時，能在正確可用的Region中建立新物件，這階段需要停頓執行緒，但耗時很短。

   • 併發標記（Concurrent Marking）
     併發標記階段是從GC Root開始對堆中物件進行可達性分析，找出存活的物件，這階段耗時較長，但可與使用者程式併發執行。

   • 最終標記（Final Marking）
     最終標記階段是為了修正在併發標記期間因使用者程式繼續運作而導致標記產生變動的那一部分標記記錄，虛擬機器將這段時間物件變化記錄線上程Remembered Set Logs裡面，最終標記階段需要把Remembered Set Logs的資料合併到Remembered Set中，這階段需要停頓執行緒，但是可並行執行。

   • 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation）
     篩選回收階段首先對各個Region的回收價值和成本進行排序，根據使用者所期望的GC停頓時間來制定回收計劃，這個階段其實也可以做到與使用者程式一起併發執行，但是因為只回收一部分Region，時間是使用者可控制的，而且停頓使用者執行緒將大幅提高收集效率。

八、總結

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雖然我們是在對各個收集器進行比較，但並非為了挑選出一個最好的收集器。因為直到現在為止還沒有最好的收集器出現，更加沒有萬能的收集器，所以我們選擇的只是對具體應用最合適的收集器。這點不需要多加解釋就能證明：如果有一種放之四海皆準、任何場景下都適用的完美收集器存在，那HotSpot虛擬機器就沒必要實現那麼多不同的收集器了。