深入理解java虚拟机第二版（三）垃圾收集器与内存分配策略 --jvm收集器

7. JVM(HotSpot) 7种垃圾收集器的特点及使用场景

基于JDK1.7Update 14之后的HotSpot虚拟机收集器，这个虚拟机包含的所有收集器如下图所示：

 

上图展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，就说明它们可以搭配使用。

• 新生代收集器:Serial,ParNew,Parallerl Scavenge
• 老年代收集器:Serial Old,Parallel Old
• CMS收集器
• G1收集器

相关概念

并行和并发

• 并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。
• 并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），用户程序在继续运行。而垃圾收集程序运行在另一个CPU上。

吞吐量（Throughput）

吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即

吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间 + 垃圾收集时间）。

假设虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。

Minor GC 和 Full GC

• 新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。
• 老年代GC（Major GC / Full GC）：指发生在老年代的GC，出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程）。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

7.1.Serial收集器

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器。是单线程的收集器。它在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集完成。

 

Serial收集器依然是虚拟机运行在Client模式下默认新生代收集器，对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。

7.2.ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集之外，其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The Worl、对象分配规则、回收策略等都与Serial 收集器完全一样。

 

ParNew收集器是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选新生代收集器，其中有一个与性能无关但很重要的原因是，除Serial收集器之外，目前只有ParNew它能与CMS收集器配合工作。

7.3.Parallel Scavenge（并行回收）收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器

该收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即 吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间）

停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序，良好

的响应速度能提升用户体验，而高吞吐量则可用高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。

Parallel Scavenge收集器提供两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收起停顿时间的

-XX:MaxGCPauseMillis参数以及直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio参数

Parallel Scavenge收集器还有一个参数：-XX:+UseAdaptiveSizePolicy。这是一个开关参数，当这个参数打开后，就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRatio）、晋升老年代对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等细节参数，只需要把基本的内存数据设置好（如-Xmx设置最大堆），然后使用MaxGVPauseMillis参数或GCTimeRation参数给虚拟机设立一个优化目标。

自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别

7.4.Serial Old 收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用标记整理算法。这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。

如果在Server模式下，主要两大用途：

（1）在JDK1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用

（2）作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用

Serial Old收集器的工作工程

 

7.5.Parallel Old 收集器

Parallel Old 是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。这个收集器在1.6中才开始提供。

 

7.6.CMS收集器

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务器的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求

CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的。它的运作过程相对前面几种收集器来说更复杂一些，整个过程分为4个步骤：

（1）初始标记

（2）并发标记

（3）重新标记

（4）并发清除

其中，初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”.

 

CMS收集器主要优点：并发收集，低停顿。

CMS三个明显的缺点：

（1）CMS收集器对CPU资源非常敏感。CPU个数少于4个时，CMS对于用户程序的影响就可能变得很大，为了应付这种情况，虚拟机提供了一种称为“增量式并发收集器”的CMS收集器变种。所做的事情和单CPU年代PC机操作系统使用抢占式来模拟多任务机制的思想

（2）CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。在JDK1.5的默认设置下，CMS收集器当老年代使用了68%的空间后就会被激活，这是一个偏保守的设置，如果在应用中蓝年代增长不是太快，可以适当调高参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值来提高触发百分比，以便降低内存回收次数从而获取更好的性能，在JDK1.6中，CMS收集器的启动阀值已经提升至92%。

（3）CMS是基于“标记-清除”算法实现的收集器，手机结束时会有大量空间碎片产生。空间碎片过多，可能会出现老年代还有很大空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前出发FullGC。为了解决这个问题，CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数（默认就是开启的），用于在CMS收集器顶不住要进行FullGC时开启内存碎片合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间变长了。虚拟机设计者还提供了另外一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction,这个参数是用于设置执行多少次不压缩的Full GC后，跟着来一次带压缩的（默认值为0，标识每次进入Full GC时都进行碎片整理）

7.7. G1收集器

G1收集器的优势：

（1）并行与并发

（2）分代收集

（3）空间整理 （标记整理算法，复制算法）

（4）可预测的停顿（G1处处理追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经实现Java（RTSJ）的来及收集器的特征）

使用G1收集器时，Java堆的内存布局是整个规划为多个大小相等的独立区域（Region）,虽然还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离的了，它们都是一部分Region的集合。

G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在真个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获取的空间大小以及回收所需要的时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也就是Garbage-First名称的又来）。这种使用Region划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽量可能高的灰机效率

G1 内存“化整为零”的思路

在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set即可保证不对全堆扫描也不会遗漏。

如果不计算维护Remembered Set的操作，G1收集器的运作大致可划分为一下步骤：

（1）初始标记

（2）并发标记

（3）最终标记

（4）筛选回收

 

8. 理解GC日志

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.91-b14) for windows-amd64 JRE (1.8.0_91-b14), built on Apr  1 2016 00:58:32 by "java_re" with MS VC++ 10.0 (VS2010)
Memory: 4k page, physical 4080628k(616944k free), swap 8159380k(3974088k free)
CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=15728640 -XX:MaxHeapSize=15728640 -XX:MaxNewSize=10485760 -XX:NewSize=10485760 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseParallelGC 
0.106: [GC (Allocation Failure) --[PSYoungGen: 5591K->5591K(9216K)] 9687K->9751K(15360K), 0.0015296 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.108: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 5591K->0K(9216K)] [ParOldGen: 4160K->5133K(6144K)] 9751K->5133K(15360K), [Metaspace: 2632K->2632K(1056768K)], 0.0045365 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.00 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 9216K, used 4178K [0x00000000ff600000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 8192K, 51% used [0x00000000ff600000,0x00000000ffa14930,0x00000000ffe00000)
  from space 1024K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x0000000100000000)
  to   space 1024K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x00000000fff00000)
 ParOldGen       total 6144K, used 5133K [0x00000000ff000000, 0x00000000ff600000, 0x00000000ff600000)
  object space 6144K, 83% used [0x00000000ff000000,0x00000000ff5035b8,0x00000000ff600000)
 Metaspace       used 2639K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 285K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

0.106: [GC (Allocation Failure) --[PSYoungGen: 5591K->5591K(9216K)] 9687K->9751K(15360K), 0.0015296 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

0.108: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 5591K->0K(9216K)] [ParOldGen: 4160K->5133K(6144K)] 9751K->5133K(15360K), [Metaspace: 2632K->2632K(1056768K)], 0.0045365 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.00 secs]

1、"0.106"和"0.108"这两个数字代表了GC发生的时间，这个数字是从Java虚拟机启动以来经过的秒数。

2、GC日志开头的“[GC”和“[FULL GC”说明了这次垃圾收集的停顿类型，而不是用来区分老年代GC还是新生代GC的。如果有FULL，说明这次GC是发生了Stop-The-World的。新生代收集器ParNew也会出现"[Full GC"（这一般是因为分配担保失败之类的问题，所以才导致STW）。如果是调用System.gc()方法所触发的收集，那么在这里将显示"FULL GC(System)"。

3、接下来的"[DefNew"、"[Tenured"、"[Perm"表示GC发生的区域，这里显示的区域名称与使用的GC收集器都是密切相关的。

例如：使用ParNew收集器中的新生代名为“Default New Generation”，所以显示的是“[DefNew”。如果是ParNew收集器，新生代名称就会变为"[ParNew"，意为"Parallel New Generation"。如果采用Parallel Scavenge收集器，那它配套的新生代称为"PSYoungGen"，老年代和永久代同理，名称也是由收集器决定的。

4、后面方括号内部的“5591K->0K(9216K)”，含义是“GC前该内存区域已使用容量->GC后该内存区域已使用容量（该内存区域总容量）”

5、而在方括号之外的“9751K->5133K(15360K)”表示“GC前Java堆已使用容量->GC后Java堆已使用容量（Java堆总容量）”

6、再往后“0.0015296 secs”表示该内存区域GC所占用的时间，单位是秒。有的收集器会给出更具体的数据 [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]。这里的user、sys和real与Linux的time命令所输出的时间含义一致，分别代表用户态消耗的CPU时间、内核态消耗的CPU时间和操作从开始到结束所经过的墙钟时间（Wall Clock Time）。墙钟时间包括各种各种非运算的等待耗时，例如等待磁盘I/O等，而CPU时间不包括这些耗时。

9. 垃圾收集器的参数总结

UseSerialGC     Client模式下默认值，打开此开关将使用Serial+Serial Old的收集器组合进行收集
UseParNewGC 使用ParNew+Serial Old的收集器组合进行收集
UseConcMarkSweepGC 使用ParNew+CMS+Serial Old的收集器组合进行收集。Serial Old收集器作为CMS发生Concurrent Mode Failure失败后的后备收集器
UseParallelGC Server模式下的默认值，使用Parallel Scavenge+Serial Old的收集器组合进行收集
UseParallelOldGC 使用Parallel Scavenge+Parallel Old的收集器组合进行收集
SurvivorRatio 新生代中Eden区域和Survivor区域的容量比值，默认为8
PretenureSizeThreshold 直接晋升到老年代的对象大小，大于这个参数的对象将直接分配到老年代
MaxTenuringThreshold 晋升代老年代的对象年龄。对象经过一次Minor GC年龄加1，超过这个设置的年龄将进入老年代
UseAdaptiveSizePolicy 动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄
HandlePromotionFailure 是否允许分配担保失败。老年代的剩余空间不足以应付新生代的整个Eden和Survivor区的所有对象都存活的极端情况
ParallelGCThreads 设置并行GC时进行内存回收的线程数
GCTimeRatio 仅在使用Parallel Scavenge收集器时生效。设置GC时间占总时间的比率，默认99，允许1%的GC时间
MaxGCPauseMillis 仅在使用Parallel Scavenge收集器时生效。设置GC的对哒停顿时间
CMSInitiatingOccupancyFraction 仅在使用CMS收集器时生效。设置CMS收集器在老年代空间被使用多少货触发垃圾收集。默认值为68%
UseCMSCompactAtFullCollection 仅在使用CMS收集器时生效。完成垃圾收集后是否需要进行一次内存碎片整理
CMSFullGCsBeforeCompaction 仅在使用CMS收集器时生效。设置CMS收集器在进行若干次垃圾收集后再启动一次内存碎片整理