Minor GC、Major GC、Full GC、分配担保

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空间分配担保

区别

在 Plumbr 从事 GC 暂停检测相关功能的工作时，我被迫用自己的方式，通过大量文章、书籍和演讲来介绍我所做的工作。在整个过程中，经常对 Minor、Major、和 Full GC 事件的使用感到困惑。这也是我写这篇博客的原因，我希望能清楚地解释这其中的一些疑惑。

文章要求读者熟悉 JVM 内置的通用垃圾回收原则。堆内存划分为 Eden、Survivor 和 Tenured/Old 空间，代假设和其他不同的 GC 算法超出了本文讨论的范围。

Minor GC

从年轻代空间（包括 Eden 和 Survivor 区域）回收内存被称为 Minor GC。这一定义既清晰又易于理解。但是，当发生Minor GC事件的时候，有一些有趣的地方需要注意到：

1. 当 JVM 无法为一个新的对象分配空间时会触发 Minor GC，比如当 Eden 区满了。所以分配率越高，越频繁执行 Minor GC。
2. 内存池被填满的时候，其中的内容全部会被复制，指针会从0开始跟踪空闲内存。Eden 和 Survivor 区进行了标记和复制操作，取代了经典的标记、扫描、压缩、清理操作。所以 Eden 和 Survivor 区不存在内存碎片。写指针总是停留在所使用内存池的顶部。
3. 执行 Minor GC 操作时，不会影响到永久代。从永久代到年轻代的引用被当成 GC roots，从年轻代到永久代的引用在标记阶段被直接忽略掉。
4. 质疑常规的认知，所有的 Minor GC 都会触发“全世界的暂停（stop-the-world）”，停止应用程序的线程。对于大部分应用程序，停顿导致的延迟都是可以忽略不计的。其中的真相就 是，大部分 Eden 区中的对象都能被认为是垃圾，永远也不会被复制到 Survivor 区或者老年代空间。如果正好相反，Eden 区大部分新生对象不符合 GC 条件，Minor GC 执行时暂停的时间将会长很多。

所以 Minor GC 的情况就相当清楚了——每次 Minor GC 会清理年轻代的内存。

Major GC vs Full GC

大家应该注意到，目前，这些术语无论是在 JVM 规范还是在垃圾收集研究论文中都没有正式的定义。但是我们一看就知道这些在我们已经知道的基础之上做出的定义是正确的，Minor GC 清理年轻带内存应该被设计得简单：

• Major GC 是清理老年代。
• Full GC 是清理整个堆空间—包括年轻代和老年代。

很不幸，实际上它还有点复杂且令人困惑。首先，许多 Major GC 是由 Minor GC 触发的，所以很多情况下将这两种 GC 分离是不太可能的。另一方面，许多现代垃圾收集机制会清理部分永久代空间，所以使用“cleaning”一词只是部分正确。

这使得我们不用去关心到底是叫 Major GC 还是 Full GC，大家应该关注当前的 GC 是否停止了所有应用程序的线程，还是能够并发的处理而不用停掉应用程序的线程。

这种混乱甚至内置到 JVM 标准工具。下面一个例子很好的解释了我的意思。让我们比较两个不同的工具 Concurrent Mark 和 Sweep collector (-XX:+UseConcMarkSweepGC)在 JVM 中运行时输出的跟踪记录。

第一次尝试通过 jstat 输出：

1	my-precious: me$ jstat -gc -t 4235 1s

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Time S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT    5.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 194699.7 1756416.0   181419.9  18304.0 17865.1 2688.0 2497.6      3    0.275   0      0.000    0.275  6.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 247555.4 1756416.0   263447.9  18816.0 18123.3 2688.0 2523.1      4    0.359   0      0.000    0.359  7.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 257729.3 1756416.0   345109.8  19072.0 18396.6 2688.0 2550.3      5    0.451   0      0.000    0.451  8.7 34048.0 34048.0 34048.0 34048.0 272640.0 272640.0 1756416.0  444982.5  19456.0 18681.3 2816.0 2575.8      7    0.550   0      0.000    0.550  9.7 34048.0 34048.0 34046.7  0.0   272640.0 16777.0  1756416.0   587906.3  20096.0 19235.1 2944.0 2631.8      8    0.720   0      0.000    0.720 10.7 34048.0 34048.0  0.0   34046.2 272640.0 80171.6  1756416.0   664913.4  20352.0 19495.9 2944.0 2657.4      9    0.810   0      0.000    0.810 11.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 129480.8 1756416.0   745100.2  20608.0 19704.5 2944.0 2678.4     10    0.896   0      0.000    0.896 12.7 34048.0 34048.0  0.0   34046.6 272640.0 164070.7 1756416.0   822073.7  20992.0 19937.1 3072.0 2702.8     11    0.978   0      0.000    0.978 13.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 211949.9 1756416.0   897364.4  21248.0 20179.6 3072.0 2728.1     12    1.087   1      0.004    1.091 14.7 34048.0 34048.0  0.0   34047.1 272640.0 245801.5 1756416.0   597362.6  21504.0 20390.6 3072.0 2750.3     13    1.183   2      0.050    1.233 15.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 21474.1  1756416.0   757347.0  22012.0 20792.0 3200.0 2791.0     15    1.336   2      0.050    1.386 16.7 34048.0 34048.0 34047.0  0.0   272640.0 48378.0  1756416.0   838594.4  22268.0 21003.5 3200.0 2813.2     16    1.433   2      0.050    1.484

这个片段是 JVM 启动后第17秒提取的。基于该信息，我们可以得出这样的结果，运行了12次 Minor GC、2次 Full GC，时间总跨度为50毫秒。通过 jconsole 或者 jvisualvm 这样的基于GUI的工具你能得到同样的结果。

1	java -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseConcMarkSweepGC eu.plumbr.demo.GarbageProducer

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

3.157: [GC (Allocation Failure) 3.157: [ParNew: 272640K->34048K(306688K), 0.0844702 secs] 272640K->69574K(2063104K), 0.0845560 secs] [Times: user=0.23 sys=0.03, real=0.09 secs] 4.092: [GC (Allocation Failure) 4.092: [ParNew: 306688K->34048K(306688K), 0.1013723 secs] 342214K->136584K(2063104K), 0.1014307 secs] [Times: user=0.25 sys=0.05, real=0.10 secs] ... cut for brevity ... 11.292: [GC (Allocation Failure) 11.292: [ParNew: 306686K->34048K(306688K), 0.0857219 secs] 971599K->779148K(2063104K), 0.0857875 secs] [Times: user=0.26 sys=0.04, real=0.09 secs] 12.140: [GC (Allocation Failure) 12.140: [ParNew: 306688K->34046K(306688K), 0.0821774 secs] 1051788K->856120K(2063104K), 0.0822400 secs] [Times: user=0.25 sys=0.03, real=0.08 secs] 12.989: [GC (Allocation Failure) 12.989: [ParNew: 306686K->34048K(306688K), 0.1086667 secs] 1128760K->931412K(2063104K), 0.1087416 secs] [Times: user=0.24 sys=0.04, real=0.11 secs] 13.098: [GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 897364K(1756416K)] 936667K(2063104K), 0.0041705 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 13.102: [CMS-concurrent-mark-start] 13.341: [CMS-concurrent-mark: 0.238/0.238 secs] [Times: user=0.36 sys=0.01, real=0.24 secs] 13.341: [CMS-concurrent-preclean-start] 13.350: [CMS-concurrent-preclean: 0.009/0.009 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 13.350: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start] 13.878: [GC (Allocation Failure) 13.878: [ParNew: 306688K->34047K(306688K), 0.0960456 secs] 1204052K->1010638K(2063104K), 0.0961542 secs] [Times: user=0.29 sys=0.04, real=0.09 secs] 14.366: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.917/1.016 secs] [Times: user=2.22 sys=0.07, real=1.01 secs] 14.366: [GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 182593 K (306688 K)]14.366: [Rescan (parallel) , 0.0291598 secs]14.395: [weak refs processing, 0.0000232 secs]14.395: [class unloading, 0.0117661 secs]14.407: [scrub symbol table, 0.0015323 secs]14.409: [scrub string table, 0.0003221 secs][1 CMS-remark: 976591K(1756416K)] 1159184K(2063104K), 0.0462010 secs] [Times: user=0.14 sys=0.00, real=0.05 secs] 14.412: [CMS-concurrent-sweep-start] 14.633: [CMS-concurrent-sweep: 0.221/0.221 secs] [Times: user=0.37 sys=0.00, real=0.22 secs] 14.633: [CMS-concurrent-reset-start] 14.636: [CMS-concurrent-reset: 0.002/0.002 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

在点头同意这个结论之前，让我们看看来自同一个 JVM 启动收集的垃圾收集日志的输出。显然- XX ： + PrintGCDetails 告诉我们一个不同且更详细的故事：

基于这些信息，我们可以看到12次 Minor GC 后开始有些和上面不一样了。没有运行两次 Full GC，这不同的地方在于单个 GC 在永久代中不同阶段运行了两次：

• 最初的标记阶段，用了0.0041705秒也就是4ms左右。这个阶段会暂停“全世界（ stop-the-world）”的事件，停止所有应用程序的线程，然后开始标记。
• 并行执行标记和清洗阶段。这些都是和应用程序线程并行的。
• 最后 Remark 阶段，花费了0.0462010秒约46ms。这个阶段会再次暂停所有的事件。
• 并行执行清理操作。正如其名，此阶段也是并行的，不会停止其他线程。

所以，正如我们从垃圾回收日志中所看到的那样，实际上只是执行了 Major GC 去清理老年代空间而已，而不是执行了两次 Full GC。

如果你是后期做决 定的话，那么由 jstat 提供的数据会引导你做出正确的决策。它正确列出的两个暂停所有事件的情况，导致所有线程停止了共计50ms。但是如果你试图优化吞吐量，你会被误导的。清 单只列出了回收初始标记和最终 Remark 阶段，jstat的输出看不到那些并发完成的工作。

结论

考虑到这种情况，最好避免以 Minor、Major、Full GC 这种方式来思考问题。而应该监控应用延迟或者吞吐量，然后将 GC 事件和结果联系起来。

随着这些 GC 事件的发生，你需要额外的关注某些信息，GC 事件是强制所有应用程序线程停止了还是并行的处理了部分事件。

Minor GC ，Full GC 触发条件

Minor GC触发条件

当Eden区满时，新生代剩余内存空间放不下新对象，触发Minor GC。

Full GC触发条件

1. 调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执。

2. 老年代空间不足

   老年代空间只有在新生代对象转入及创建为大对象、大数组时才会出现不足的现象，当执行Full GC后空间仍然不足，则抛出如下错误：
   java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 
   为避免以上两种状况引起的FullGC，调优时应尽量做到让对象在Minor GC阶段被回收、让对象在新生代多存活一段时间及不要创建过大的对象及数组。

3. 方法区空间不足(老年代、元空间)

   存放的为一些class的信息等，当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，方法区可能会被占满，在未配置为采用CMS GC的情况下会执行Full GC。如果经过Full GC         仍然回收不了，那么JVM会抛出如下错误信息：
   java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 元空间报错啥的
   为避免Perm Gen占满造成Full GC现象，可采用的方法为增大Perm Gen空间或转为使用CMS GC。

4. 由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小。

   这里有2种：CMS GC时出现promotion failed（担保：s1s2--old）和concurrent mode failure

   对于采用CMS进行旧生代GC的程序而言，尤其要注意GC日志中是否有promotion failed和concurrent mode failure两种状况，当这两种状况出现时可能会触发Full GC。
   promotionfailed是在进行Minor GC时，survivor space放不下、对象只能放入旧生代，而此时旧生代也放不下造成的；concurrent mode failure是在执行CMS GC的过程中同时有对     象要放入旧生代，而此时旧生代空间不足造成的。
   应对措施为：增大survivorspace、旧生代空间或调低触发并发GC的比率，但在JDK 5.0+、6.0+的版本中有可能会由于JDK的bug29导致CMS在remark完毕后很久才触发sweeping     动作。对于这种状况，可通过设置-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5（单位为ms）来避免。

5. 统计得到的Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间

   这是一个较为复杂的触发情况，Hotspot为了避免由于新生代对象晋升到旧生代导致旧生代空间不足的现象，在进行Minor GC时，做了一个判断，如果之前统计所得到的Minor GC     晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间，那么就直接触发Full GC。
   例如程序第一次触发MinorGC后，有6MB的对象晋升到旧生代，那么当下一次Minor GC发生时，首先检查旧生代的剩余空间是否大于6MB，如果小于6MB，则执行Full GC。
   当新生代采用PSGC时，方式稍有不同，PS GC是在Minor GC后也会检查，例如上面的例子中第一次Minor GC后，PS GC会检查此时旧生代的剩余空间是否大于6MB，如小于，       则触发对旧生代的回收。
   除了以上4种状况外，对于使用RMI来进行RPC或管理的Sun JDK应用而言，默认情况下会一小时执行一次Full GC。可通过在启动时通过- java-              　　　　　　　　                Dsun.rmi.dgc.client.gcInterval=3600000来设置Full GC执行的间隔时间或通过-XX:+ DisableExplicitGC来禁止RMI调用System.gc。

6. jmap -histo（人为执行该命令）

空间分配担保失败（可能导致Full GC频繁）

在发生Minor GC之前，虚拟机会检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间，

• 如果大于，则此次Minor GC是安全的

• 如果小于，则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。
  如果HandlePromotionFailure=true，那么会继续检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小，如果大于，则尝试进行一次Minor GC，但这次Minor GC依然是有风险的；如果小于或者HandlePromotionFailure=false，则改为进行一次Full GC。

上面提到了Minor GC依然会有风险，是因为新生代采用复制收集算法，假如大量对象在Minor GC后仍然存活（最极端情况为内存回收后新生代中所有对象均存活），而Survivor空间是比较小的，这时就需要老年代进行分配担保，把Survivor无法容纳的对象放到老年代。老年代要进行空间分配担保，前提是老年代得有足够空间来容纳这些对象，但一共有多少对象在内存回收后存活下来是不可预知的，因此只好取之前每次垃圾回收后晋升到老年代的对象大小的平均值作为参考。使用这个平均值与老年代剩余空间进行比较，来决定是否进行Full GC来让老年代腾出更多空间。

取平均值仍然是一种概率性的事件，如果某次Minor GC后存活对象陡增，远高于平均值的话，必然导致担保失败，如果出现了分配担保失败，就只能在失败后重新发起一次Full GC。虽然存在发生这种情况的概率，但大部分时候都是能够成功分配担保的，这样就避免了过于频繁执行Full GC。