【JVM】垃圾收集器详解

你将学到

1. Serial 收集器

2. ParNew 收集器

3. Parallel Scavenge 收集器

4. Serial Old 收集器

5. Parallel Old 收集器

6. CMS 收集器

7. G1 收集器

---

在 Java 中，垃圾回收（GC）是自动管理内存的一个重要机制。HotSpot JVM 提供了多种垃圾收集器，供开发者根据不同的应用场景进行选择。每种垃圾收集器都有其独特的实现原理、优缺点以及适用场景。在这篇博客中，我们将详细介绍 HotSpot JVM 中的 7 种垃圾收集器，帮助开发者更好地理解它们，并在不同的项目中做出最优的选择。 

 HotSpot 虚拟机中的7个垃圾收集器，图中有连线的说明是可以一起搭配使用的，下面针对每一个垃圾收集器，作单独的讲解。

---

1. Serial 收集器

Serial收集器是在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程(Stop The World)。Stop The World并不是啥好事，因为它会导致用户线程停止工作，所以有些真实应用来说是无法接受的。

总结:

• Serial 翻译为串行，也就是说它以串行的方式执行Serial 是新生代的垃圾收集器
• 算法：复制算法
• HotSpot 虚拟机运行在客户端模式下的默认新生代收集器

2. ParNew 收集器

ParNew垃圾收集器 是 Parallel Garbage Collector 的一个变种，它专门用于 年轻代（Young Generation） 的垃圾回收，ParNew 的设计目的是提高 年轻代垃圾回收的吞吐量，通常通过 并行处理 来缩短回收时间，减少停顿时间。

总结：

• 垃圾收集时是多线程并行的
• ParNew是新生代的垃圾收集器
• 使用的是复制算法
• 在 CMS 收集器中，ParNew 用于年轻代垃圾回收，而老年代则由 CMS 来进行回收。ParNew 和 CMS 共同合作，减少了老年代的 Full GC 触发次数，并优化了停顿时间
• 使用 -XX:ParallelGCThreads 参数来设置GC线程数

3. Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge 收集器，是 HotSpot JVM 中的一种 年轻代（Young Generation） 垃圾收集器。它专注于提高 吞吐量，通过并行化的方式来减少垃圾回收过程中的时间开销。Parallel Scavenge 是基于 复制算法（Copying Algorithm）实现的，并且通过多线程的方式来加速垃圾回收过程。这里的吞吐量指 CPU 用于运行用户代码的时间占总时间的比值。

吞吐量 = 运行用户代码的时间/(运行用户代码的时间+运行垃圾收集的时间)

Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集停顿时间 的-XX:MaxGCPauseMilis参数 以及直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio参数。

总结

• 吞吐量优先收集器
• 新生代垃圾收集器
• 算法：复制算法
• 两个精确控制吞吐量的参数
  • 控制最大垃圾收集停顿时间:-XX:MaxGCPauseMilis。
  • 直接设置吞吐量大小:XX:GCTimeRatio。
• GC 自适应的调节策略开关：开启开关，就不需要手动指定新生代的大小(-Xmm)、Eden 和 Survivor 区的比例、晋升老年代对象年龄等细节参数了。虚拟机会根据当前系统的运行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或者最大的吞吐量。（XX:+UseAdaptiveSizePolicy）

4. Serial Old 收集器

erial Old 收集器 是 HotSpot JVM 中的一种 老年代（Old Generation） 垃圾收集器。它是 Serial Garbage Collector 的一个扩展版本，用于全堆垃圾回收时处理老年代的内存。Serial Old 的设计理念和 Serial GC 一致，主要特点是使用 单线程 执行垃圾回收任务，适用于资源受限或者对垃圾回收停顿时间不敏感的场景。

总结

• 老年代收集器
• 算法:标记-整理算法
• gc时暂停所有用户线程
• 主要作为客户端模式下的HotSpot虚拟机使用，另外也作为CMS收集器并发收集发生Concurrent Mode Failure时的后备预案使用

5. Parallel Old 收集器

Parallel Old是Paralle Scavenge收集器的老年代版本，多线程并行收集。目前只能与新生代的Parallel Scavenge收集器搭配使用，可以说Parallel Old就是为Parallel Scavenge而生的。在这之前Parallel Scavenge收集器只能与老年代的Serial Old进行搭配，但是一个多线程，一个单线程，导致吞吐量并没有充分的提升，直到Parallel Old收集器出现。

总结:

• Parallel Old为Parallel Scavenge而生，只能搭配Parallel Scavenge。
• Parallel Old采用多线程
• 算法：标记-整理
• 在注重吞吐量以及处理器资源较为稀缺的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器这个组合
• JDK 6时才开始提供

6. CMS 收集器

CMS（Concurrent Mark-Sweep） 收集器是 HotSpot JVM 提供的一种 低延迟 垃圾收集器，旨在减少垃圾回收过程中的停顿时间。它的主要目标是 最小化停顿时间，使得应用程序能够在垃圾回收的过程中尽可能保持运行状态，特别适用于对响应时间敏感的应用。

原理

CMS 收集器主要采用了 标记-清除（Mark-Sweep）算法，结合了并发执行来优化标记和清除阶段，减少了停顿时间。它的工作过程分为多个阶段：

1. 初始标记（Initial Mark）：

   • 初始标记阶段是 Stop-the-World 的，这意味着在这个阶段应用程序会暂停。该阶段会标记 GC Root 可达的对象。
   • 这个阶段会很快完成，因为只标记根对象的引用，不需要遍历整个堆。

2. 并发标记（Concurrent Mark）：

   • 在并发标记阶段，CMS 会并发地扫描整个堆，标记出所有存活的对象。
   • 这个阶段是 并发执行的，也就是说，在标记阶段，应用程序的线程可以继续运行，尽量减少停顿时间。
   • 但并发标记阶段的执行时间较长，且可能需要使用多个 CPU 核心来加速标记过程。

3. 重新标记（Remark）：

   • 在并发标记完成后，还需要进行 重新标记 阶段。这个阶段用于标记在并发标记过程中被修改的对象（即那些在并发标记过程中被修改了引用关系的对象）。此阶段也是 Stop-the-World 的，因此应用程序会暂停。
   • 重新标记是一个很短的阶段，主要用于修正并发标记阶段标记不全的问题。

4. 并发清除（Concurrent Sweep）：

   • 在并发清除阶段，CMS 会清理那些没有被标记为存活的垃圾对象。
   • 这个阶段是并发执行的，应用程序线程可以继续运行。

---

优点 并发收集，低停顿

不足

• 吞吐量低：CMS追求用户线程停顿时间少，停顿时间少就只能与用户线程并发执行部分阶段，导致整个垃圾回收需要执行的整体时间会更长(停顿之后专心垃圾收集肯定是最快的)，所以吞吐量会降低
• 浮动垃圾问题：并发清除阶段，由于gc线程是与用户线程并发的，这个期间用户还会产生新的垃圾，所以一般会预留出一部分内存，不能等到老年代快满的时候才去收集，如果预留的内存不足以存放这部分浮动垃圾的话，就会出现Concurrent ModeFailure。出现这个错误之后，虚拟机将临时启用 Serial Old 来替代 CMS
• 使用标记-清除算法:因为没有整理的过程，所以垃圾收集完之后，会有很多空间碎片，导致需要分配大块连续内存的时候，空间不足

7. G1 收集器

Garbage First(简称G1)收集器，意为垃圾优先，哪一块的垃圾最多就优先清理它。从名字就可以看出G1的一个特性，那就是G1能对不同区块的内存进行回收价值和成本排序，即价值越高成本越低的区块会被先回收。另外我们还能为G1设定性能指标，例如任意 1秒内暂停时间不超过 10 毫秒，G1会尽力去达成这个目标。

开创了收集器面向局部收集的设计思路和基于Region的内存布局形式。JDK8 Update 40这个版本以后的G1收集器被Oracle官方称为“全功能的垃圾收集器”。JDK 9发布之 日，G1宣告取代Parallel Scavenge加Parallel Old组合，成为服务端模式下的默认垃圾收集器。

G1依然还是采用了分代设计，但是之前的一些垃圾收集器有很大差别，不会在为新生代，老年代等分配规定大小的区域，而是将整个堆分成一个个大小固定的Region区域每一个Region都可以是新生代，老年代，Eden空间，Survivor空间的角色。所以Region成为了垃圾收集的最小单元，每一次回收都会是Region的整数倍大小。

• 初始标记:仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象。(需要停顿)
• 并发标记:从GC Roots开始进行可达性分析，完成对象图的扫描，判断存活对象和可回收对象。做后再处理下SATB记录的有引用变动的对象(无需停顿)
• 最终标记:对用户线程做另一个短暂的停顿，用于处理并发阶段结束后仍遗留 下来的最后那少量的SATB记录。(需要停顿)
• 筛选回收:统计各个Region的回收价值和成本并进行排序，根据用户所期望的停顿时间来制定回收计划，筛选任意多个Region构成回收集，然后把决定回收的那一部分Region的存活对象复制到空的Region中，再清理掉整个旧 Region的全部空间。(需要停顿) 

总结：