垃圾收集器以及内存分配

一、分类

　　在jvm中，实现了多种垃圾收集器，包括：串行垃圾收集器、并行垃圾收集器、CMS（并发）垃圾收集器、G1垃圾收集器

二、串行垃圾收集器

　　串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。这种现象称之为STW（Stop-The-World）。

　　对于交互性较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能够接受的。

　　一般在Javaweb应用中是不会采用该收集器的。 

1、编写测试代码

package com.zn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();
        while (true) {
            int sleep = new Random().nextInt(100);
            if (System.currentTimeMillis() % 2 == 0) {
                list.clear();
            } else {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    Properties properties = new Properties();
                    properties.put("key_" + i, "value_" + System.currentTimeMillis() + i);
                    list.add(properties);
                }
            }
            // System.out.println("list大小为：" + list.size()); 
            Thread.sleep(sleep);
        }
    }
}

2、设置垃圾回收为串行收集器

　　在程序运行参数中添加2个参数，如下：

　　　　-XX:+UseSerialGC：指定年轻代和老年代都使用串行垃圾收集器

　　　　-XX:+PrintGCDetails：打印垃圾回收的详细信息

-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

　　 

3、启动程序信息打印

　　

GC日志信息解读：

　　年轻代的内存GC前后的大小：

　　DefNew：表示使用的是串行垃圾收集器。

　　 4416K->512K(4928K)：表示，年轻代GC前，占有4416K内存，GC后，占有512K内存，总大小4928K 

　　0.0043929 secs：表示，GC所用的时间，单位为毫秒。

　　11130K->9711K(15872K)：表示，GC前，堆内存占有11130K，GC后，占有9711K，总大小为15872K

　　Full GC：表示，内存空间全部进行GC

二、并行垃圾收集器

　　并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收的时间。（这里是指，并行能力较强的机器）当然了，并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停应用程序，这个和串行垃圾回收器是一样的，只是并行执行，速度更快些，暂停的时间更短一些。

2.1  ParNew垃圾收集器

　　ParNew垃圾收集器是工作在年轻代上的，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。

　　通过-XX:+UseParNewGC参数设置年轻代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。

　　1、编写测试代码

package com.zn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();
        while (true) {
            int sleep = new Random().nextInt(100);
            if (System.currentTimeMillis() % 2 == 0) {
                list.clear();
            } else {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    Properties properties = new Properties();
                    properties.put("key_" + i, "value_" + System.currentTimeMillis() + i);
                    list.add(properties);
                }
            
            // System.out.println("list大小为：" + list.size());
            Thread.sleep(sleep);
        }
    }
}

　　2、设置垃圾回收为ParNew收集器

-XX:+UseParNewGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

　　

　　3、启动程序信息打印

　　

　　由以上信息可以看出， ParNew: 使用的是ParNew收集器。其他信息和串行收集器一致。

2.2  ParallelGC垃圾收集器 

　　ParallelGC收集器工作机制和ParNewGC收集器一样，只是在此基础之上，新增了两个和系统吞吐量相关的参数，使得其使用起来更加的灵活和高效。

　　相关参数如下：

　　　　-XX:+UseParallelGC：年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用串行回收器。

　　　　-XX:+UseParallelOldGC：年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器。

　　　　-XX:MaxGCPauseMillis：设置最大的垃圾收集时的停顿时间，单位为毫秒

　　　　　　需要注意的是，ParallelGC为了达到设置的停顿时间，可能会调整堆大小或其他的参数，如果堆的大小设置的较小，就会导致GC工作变得很频繁，反而可能会影响到性能。

　　　　　　该参数使用需谨慎。

　　　　-XX:GCTimeRatio：设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比，公式为1/(1+n)。

　　　　　　它的值为0~100之间的数字，默认值为99，也就是垃圾回收时间不能超过1%

　　　　-XX:UseAdaptiveSizePolicy：自适应GC模式，垃圾回收器将自动调整年轻代、老年代等参数，达到吞吐量、堆大小、停顿时间之间的平衡。

　　　　　　一般用于，手动调整参数比较困难的场景，让收集器自动进行调整。

　　1、编写测试代码

package com.zn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();
        while (true) {
            int sleep = new Random().nextInt(100);
            if (System.currentTimeMillis() % 2 == 0) {
                list.clear();
            } else {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    Properties properties = new Properties();
                    properties.put("key_" + i, "value_" + System.currentTimeMillis() + i);
                    list.add(properties);
                }
            
            // System.out.println("list大小为：" + list.size());
            Thread.sleep(sleep);
        }
    }
}

　　2、设置垃圾回收为ParallelGC收集器

-XX:+UseParallelGC
-XX:+UseParallelOldGC
-XX:MaxGCPauseMillis=100
-XX:+PrintGCDetails
-Xms16m
-Xmx16m

　　

　　3、启动程序信息打印

　　

　　由以上信息可以看出，年轻代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。

三、CMS垃圾收集器

　　CMS全称 Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，通过参数-XX:+UseConcMarkSweepGC进行设置。

　　CMS垃圾回收器的执行过程如下： 

　　

• 初始化标记(CMS-initial-mark) ,标记root，会导致stw；
• 并发标记(CMS-concurrent-mark)，与用户线程同时运行；
• 预清理（CMS-concurrent-preclean），与用户线程同时运行；
• 重新标记(CMS-remark) ，会导致stw；
• 并发清除(CMS-concurrent-sweep)，与用户线程同时运行；
• 调整堆大小，设置CMS在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片；
• 并发重置状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)，与用户线程同时运行； 

1、编写测试代码

package com.zn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();
        while (true) {
            int sleep = new Random().nextInt(100);
            if (System.currentTimeMillis() % 2 == 0) {
                list.clear();
            } else {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    Properties properties = new Properties();
                    properties.put("key_" + i, "value_" + System.currentTimeMillis() + i);
                    list.add(properties);
                }
            }
            // System.out.println("list大小为：" + list.size()); 
            Thread.sleep(sleep);
        }
    }
}

2、设置垃圾回收为CMS收集器

-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

　　

3、启动程序信息打印

　　CMS执行的过程：

　　

四、G1垃圾收集器（重点）

　　G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。 

　　G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

　　　　1. 第一步，开启G1垃圾收集器

　　　　2. 第二步，设置堆的最大内存

　　　　3. 第三步，设置最大的停顿时间

　　G1中提供了三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC 和 Full GC，在不同的条件下被触发。

4.1  原理

　　G1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。

　　这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。

　　

　　在G1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间，G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。

　　这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

　　在G1中，有一种特殊的区域，叫Humongous区域。

　　　　如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。

　　　　这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。

　　　　为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

4.2  Young GC

　　Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。

　　　　Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。

　　　　Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。

　　　　最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。

　　

　　

　　 Remembered Set（已记忆集合）

　　在GC年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢？

　　　　根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有对象都是根么？

　　如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间。

　　　　于是，G1引进了RSet的概念。它的全称是Remembered Set，其作用是跟踪指向某个堆内的对象引用。

 　　　　

　　每个Region初始化时，会初始化一个RSet，该集合用来记录并跟踪其它Region指向该Region中对象的引用，每个Region默认按照512Kb划分成多个Card，所以RSet需要记录的东西应该是 xx Region的 xx Card。 

4.3  Mixed GC

　　当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个Old GC，除了回收整个Young

　　Region，还会回收一部分的Old Region，这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部

　　老年代，可以选择哪些old region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。

　　也要注意的是Mixed GC 并不是 Full GC。

　　MixedGC什么时候触发？

　　　　由参数 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 决定。默认：45%，该参数的意思是：当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阀值时触发。

　　它的GC步骤分2步：

　　　　①全局并发标记（global concurrent marking）

　　　　② 拷贝存活对象（evacuation）

　　1、全局并发标记

　　全局并发标记，执行过程分为五个步骤：

　　　　初始标记（initial mark，STW）

　　　　　　标记从根节点直接可达的对象，这个阶段会执行一次年轻代GC，会产生全局停顿。

　　　　根区域扫描（root region scan）

　　　　　　G1 GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。

　　　　　　该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下

　　　　　　一次 STW 年轻代垃圾回收。

　　　　并发标记（Concurrent Marking）

　　　　　　G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被 STW 年轻代垃圾回收中断。

　　　　重新标记（Remark，STW）

　　　　　　该阶段是 STW 回收，因为程序在运行，针对上一次的标记进行修正。

　　　　清除垃圾（Cleanup，STW）

　　　　　　清点和重置标记状态，该阶段会STW，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集，等待evacuation阶段来回收。 

　　2、拷贝存活对象

　　　　Evacuation阶段是全暂停的。该阶段把一部分Region里的活对象拷贝到另一部分Region中，从而实现垃圾的回收清理。 

4.4  G1收集器相关参数

　　-XX:+UseG1GC：使用 G1 垃圾收集器

　　-XX:MaxGCPauseMillis：设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到），默认值是 200 毫秒。

　　-XX:G1HeapRegionSize=n：设置的 G1 区域的大小。值是 2 的幂，范围是 1 MB 到 32 MB 之间。目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。默认是堆内存的1/2000。

　　-XX:ParallelGCThreads=n：设置 STW 工作线程数的值。将 n 的值设置为逻辑处理器的数量。n 的值与逻辑，处理器的数量相同，最多为 8。

　　-XX:ConcGCThreads=n：设置并行标记的线程数。将 n 设置为并行垃圾回收线程数 (ParallelGCThreads)的 1/4 左右。

　　-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n：设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认占用率是整个 Java 堆的 45%。 　

4.5  测试

　　1、编写测试代码

package com.zn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();
        while (true) {
            int sleep = new Random().nextInt(100);
            if (System.currentTimeMillis() % 2 == 0) {
                list.clear();
            } else {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    Properties properties = new Properties();
                    properties.put("key_" + i, "value_" + System.currentTimeMillis() + i);
                    list.add(properties);
                }
            
            // System.out.println("list大小为：" + list.size());
            Thread.sleep(sleep);
        }
    }
}

　　2、设置垃圾回收为G1 垃圾收集器

-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+PrintGCDetails -Xmx256m

　　

　　3、启动程序信息打印

　　

4.6  对于G1垃圾收集器优化建议

　　年轻代大小

　　　　避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其他相关选项显式设置年轻代大小。

　　　　固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。

　　暂停时间目标不要太过严苛

　　　　G1 GC 的吞吐量目标是 90% 的应用程序时间和 10%的垃圾回收时间。

　　　　评估 G1 GC 的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量