JVM 专题二十：垃圾回收（四）垃圾回收器 （一）

1. GC分类与性能指标

 

垃圾收集器没有在规范中进行过多的规定，可以由不同的厂商、不同版本的JVM来实现。由于JDK的版本处于高速迭代过程中，因此Java发展至今已经产生了众多的GC版本。从不同角度分析垃圾收集器，可以将GC分为不同的类型。

 

1.1 GC分类

 

1. 按线程数(垃圾回收的线程)分可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。

 

• 串行回收指的是在同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束。在诸如单CPU处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合，串行回收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。所以，串行回收默认被应用在客户端的Client模式下的JVM中。

 

• 在并发能力比较强的CPU上，并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器。

 

• 和串行回收相反，并行收集可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用了"stop-the- World"机制。

 

2. 按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式拉圾回收器。

 

• 并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间。

 

• 独占式垃圾回收器(Stop the world)一旦运行，就停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。

 

3. 按碎片处理方式分，可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。

 

• 压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片

|  再分配对象空间使用：指针碰撞

• 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。

| 再分配对象空间使用：空闲列表

 

4. 按工作的内存区间分，又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器

 

1.2 性能指标

 

1.2.1 评估GC的性能指标

 

1. 性能指标

 

• 吞吐量：运行用户代码的时间占总运行时间的比例

| 总运行时间：程序的运行时间+内存回收的时间

• 垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
• 暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间
• 收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
• 内存占用：Java堆区所占的内存大小。
• 快速：一个对象从诞生到被回收所经历的时间。

 

2. 指标概述

 

• 上面标红的三者共同构成一个"不可能三角"。三者总体的表现会随着技术进步而越来越好。一款优秀的收集器通常最多同时满足其中的两项。
• 这三项里，暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展，内存占用多些越来越能容忍，硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响，即提高了吞吐量。而内存的扩大，对延迟反而带来负面效果
• 简单来说，主要抓住两点：吞吐量、暂停时间

 

1.2.2 吞吐量

 

1. 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)。

| 比如：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9%。

 

2. 这种情况下，应用程序能容忍较高的暂停时间，因此，高吞吐量的应用程序有更长的时间基准，快速响应是不必考虑的。

 

3. 吞吐量优先，意味着在单位时间内，STW的时间最短

 

1.2.3 暂停时间

 

1. "暂停时间"是指一个时间段内应用程序线程暂停，让GC线程执行的状态

|  例如，GC期间16毫秒的暂停时间意味着在这16毫秒期间内没有应用程序线程是活动的。

 

2. 暂停时间优先，意味着尽可能让单次STW的时间最短

 

1.2.4 吞吐量 VS 暂停时间

 

1. 高吞吐量较好，因为这会让应用程序的最终用户感觉只有应用程序线程在做"生产性"工作。直觉上，吞吐量越高程序运行越快

 

2. 低暂停时间(低延迟)较好，因为从最终用户的角度来看不管是GC还是其他原因导致一个应用被挂起始终是不好的。这取决于应用程序的类型，有时候甚至短暂的20毫秒暂停都可能打断终端用户体验。因此，具有低的较大暂停时间是非常重要的，特别是对于一个交互式应用程序。

 

3. 不幸的是"高吞吐量"和"低暂停时间"是一对相互竞争的目标(矛盾)。

 

• 因为如果选择以吞吐量优先，那么必然需要降低内存回收的执行频率，但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收。
• 相反的，如果选择以低延迟优先为原则，那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间，也只能频繁地执行内存回收，但这又引起了年轻代内存的缩减和导致程序吞吐量的下降。

• 在设计(或使用)GC算法时，我们必须确定我们的目标：一个GC算法只可能针对两个目标之一(即只专注于较大吞吐量或最小暂停时间)，或尝试找到一个二者的折衷。
• 现在标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间

 

2. 不同的垃圾回收器

 

垃圾收集机制是Java的招牌能力，极大地提高了开发效率。这当然也是面试的热点。那么，Java常见的垃圾收集器有哪些?

 

2.1 垃圾收集器发展史

 

有了虚拟机，就一定需要收集垃圾的机制，这就是Garbage Collection，对应的产品我们称为Garbage Collector。

 

1. 1999年随JDK1.3.1一起来的是串行方式的Serial GC，它是第一款GC。 ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多线程版本

 

2. 2002年2月26日， Parallel GC和Concurrent Mark Sweep GC跟随JDK1.4.2一起发布，Parallel GC在JDK6之后成为Hotspot默认GC。

 

3. 2012年，在JDK1.7u4版本中，G1可用。

 

4. 2017年，JDK9中G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS

 

5. 2018年3月，JDK10中G1垃圾回收器的并行完整垃圾回收，实现并行性来改善最坏情况下的延迟。

 

6. 2018年9月，JDK11发布。引入Epsilon垃圾回收器，又被称为"No-Op(无操作)回收器。同时，引入ZGC：可伸缩的低延迟垃圾回收器(Experimental)

 

7. 2019年3月，JDK12发布。增强G1，自动返回未用堆内存给操作系统。同时，引入Shenandoah GC：低停顿时间的GC(Experimental)。

 

8. 2019年9月，JDK13发布。增强ZGC，自动返回未用堆内存给操作系统。

 

9. 2020年3月，JDK14发布。删除CMS垃圾回收器。扩展ZGC在macos和Windows上的应用

 

2.2 7款经典的垃圾收集器

 

1. 线程分类

 

• 串行回收器： Serial、 Serial Old
• 并行回收器： ParNew、 Parallel Scavenge、Parallel Old
• 并发回收器：CMS、G1

     

 

2. 分代

 

• 新生代收集器： Serial、 ParNew、Parallel Scavenge
• 老年代收集器： Serial Old、Parallel old、CMS
• 整堆收集器：G1

     

 

2.3 垃圾收集器的组合关系

 

1. 两个收集器间有连线，表明它们可以搭配使用：Serial/ Seral Old、 Serial/CMS、 ParNew/ Serial Old、 ParNew/CMS、Parallel Scavenge/Serial Old， Parallel Scavenge/Parallel Old， G1：

 

2. 其中Serial Old作为CMS出现"Concurrent Mode Failure"失败的后备预案。

 

3. (红色虚线)由于维护和兼容性测试的成本，在JDK8时将Serial+CNS、ParNew+ Serial Old这两个组合声明为废弃(JEP173)，并在JDK9中完全取消这些组合的支持，即：移除。

 

4. (绿色虚线)JDK14中：弃用Parallel Scavenge和Serial Old GC组合

 

5. (青色虚线)JDK14中：删除CMS垃圾回收器

 

2.4 不同垃圾回收器概述

 

1. 为什么要有很多收集器，一个不够吗?

 

因为Java的使用场景很多，移动端，服务器等。所以就需要针对不同的场景，提供不同的垃圾收集器，提高垃圾收集的性能。

 

2. 虽然我们会对各个收集器进行比较，但并非为了挑选一个最好的收集器出来。没有一种放之四海皆准、任何场景下都适用的完美收集器存在，更加没有万能的收集器。所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器

 

2.5 查看默认的垃圾收集器

 

1. XX：+ PrintCommandLineFlags：查看命令行相关参数(包含使用的垃圾收集器)

 

2. 使用命令行指令： jinfo-flag相关垃圾回收器参数进程ID