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发展至今已经衍生了众多的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 垃圾收集器分类

1.1.1 按线程数分

按线程数分（垃圾回收线程数），可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。
垃圾回收器 - 图1
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。

1.1.2 按工作模式分

按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。

  • 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。

垃圾回收器 - 图2

1.1.3 按碎片处理方式分

按碎片处理方式分，可分为压缩武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。
  • 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。

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 评估GC的性能指标

  • 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。

吞吐量、暂停时间、内存占用 这三者共同构成一个“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

    1.2.1 性能指标：吞吐量

    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99%。

    1.2.2 性能指标：暂停时间

    “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100毫秒的暂停时间意味着在这100毫秒期间内没有应用程序线程是活动的。暂停时间优先，意味着尽可能让单次STW的时间最短：0.1+0.1 + 0.1+ 0.1+ 0.1=0.5

    1.2.3 吞吐量vs暂停时间

    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。
    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200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。
    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 不同的垃圾回收器概述

    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？
    GC垃圾收集器是和JVM一脉相承的，它是和JVM进行搭配使用，在不同的使用场景对应的收集器也是有区别

    2.1 垃圾回收器发展史

    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。

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

  • 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。
  • 2012年，在JDK1.7u4版本中，G1可用。
  • 2017年，JDK9中G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。
  • 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。
  • 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）
  • 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）。·2019年9月，JDK13发布。增强zGC，自动返回未用堆内存给操作系统。

  • 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种经典的垃圾收集器

  • 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

2.3 7款经典收集器与垃圾分代之间的关系

垃圾回收器 - 图3
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；

2.4 垃圾收集器的组合关系

垃圾回收器 - 图4

  • 两个收集器间有连线，表明它们可以搭配使用：Serial/Serial old、Serial/CMS、ParNew/Serial old、ParNew/CMS、Parallel Scavenge/Serial old、Parallel Scavenge/Parallel 0ld、G1；
  • 其中Serial old作为CMS出现”Concurrent Mode Failure”失败的后备预案。
  • （红色虚线）由于维护和兼容性测试的成本，在JDK 8时将Serial+CMS、ParNew+Serial old这两个组合声明为废弃（JEP173），并在JDK9中完全取消了这些组合的支持（JEP214），即：移除。
  • （绿色虚线）JDK14中：弃用Paralle1 Scavenge和Serialold GC组合（JEP366）
  • （青色虚线）JDK14中：删除CMS垃圾回收器（JEP363）

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。
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 如何查看默认垃圾收集器

-XX:+PrintcommandLineFlags：查看命令行相关参数（包含使用的垃圾收集器）
使用命令行指令：jinfo -flag 相关垃圾回收器参数 进程ID

3 垃圾回收器介绍

3.1 Serial回收器：串行回收

Serial收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代唯一的选择。Serial收集器作为HotSpot中client模式下的默认新生代垃圾收集器。Serial收集器采用复制算法、串行回收和”stop-the-World”机制的方式执行内存回收。
除了年轻代之外，Serial收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial old收集器。Serial old收集器同样也采用了串行回收和”stop the World”机制，只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算法。

  • Serial old是运行在Client模式下默认的老年代的垃圾回收器
  • Serial 0ld在Server模式下主要有两个用途：
    • 与新生代的Parallel scavenge配合使用
    • 作为老年代CMS收集器的后备垃圾收集方案

image.png
这个收集器是一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束（Stop The World）
优势：简单而高效（与其他收集器的单线程比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。运行在client模式下的虚拟机是个不错的选择。
在用户的桌面应用场景中，可用内存一般不大（几十MB至一两百MB），可以在较短时间内完成垃圾收集（几十ms至一百多ms），只要不频繁发生，使用串行回收器是可以接受的。
在HotSpot虚拟机中，使用-XX：+UseSerialGC参数可以指定年轻代和老年代都使用串行收集器。等价于新生代用Serial GC，且老年代用Serial old GC
总结
这种垃圾收集器大家了解，现在已经不用串行的了。而且在限定单核cpu才可以用。现在都不是单核的了。对于交互较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能接受的。一般在Java web应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的。

3.2 ParNew回收器：并行回收

如果说serialGC是年轻代中的单线程垃圾收集器，那么ParNew收集器则是serial收集器的多线程版本。

  • Par是Parallel的缩写，New：只能处理的是新生代

ParNew 收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、”stop-the-World”机制。
ParNew 是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。
image.png

  • 对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。
  • 对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。（CPU并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源）

除Serial外，目前只有ParNew GC能与CMS收集器配合工作
在程序中，开发人员可以通过选项”-XX：+UseParNewGC”手动指定使用ParNew收集器执行内存回收任务。它表示年轻代使用并行收集器，不影响老年代。
-XX:ParallelGCThreads限制线程数量，默认开启和CPU数据相同的线程数。

3.3 Parallel回收器：吞吐量优先

HotSpot的年轻代中除了拥有ParNew收集器是基于并行回收的以外，Parallel Scavenge收集器同样也采用了复制算法、并行回收和”Stop the World”机制。
那么Parallel 收集器的出现是否多此一举？

  • 和ParNew收集器不同，ParallelScavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput），它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
  • 自适应调节策略也是Parallel Scavenge与ParNew一个重要区别。

高吞吐量则可以高效率地利用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。因此，常见在服务器环境中使用。例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序。
Parallel收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallelold收集器，用来代替老年代的serialold收集器。
Parallel old收集器采用了标记-压缩算法，但同样也是基于并行回收和”stop-the-World”机制。
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在程序吞吐量优先的应用场景中，IParallel收集器和Parallel old收集器的组合，在server模式下的内存回收性能很不错。在Java8中，默认是此垃圾收集器。

参数配置

-XX：+UseParallelGC 手动指定年轻代使用Parallel并行收集器执行内存回收任务。
-XX：+UseParalleloldGC 手动指定老年代都是使用并行回收收集器。

  • 分别适用于新生代和老年代。默认jdk8是开启的。
  • 上面两个参数，默认开启一个，另一个也会被开启。（互相激活）

-XX:ParallelGcrhreads设置年轻代并行收集器的线程数。一般地，最好与CPU数量相等，以避免过多的线程数影响垃圾收集性能。在默认情况下，当CPU数量小于8个，ParallelGcThreads的值等于CPU数量。当CPU数量大于8个，ParallelGCThreads的值等于3+[5*CPU Count]/8]
-XX:MaxGCPauseMillis 设置垃圾收集器最大停顿时间（即STW的时间）。单位是毫秒。
-XX:GCTimeRatio垃圾收集时间占总时间的比例（=1/（N+1））。用于衡量吞吐量的大小。取值范围（0，100）。默认值99，也就是垃圾回收时间不超过1。
-XX:+UseAdaptivesizepplicy 设置Parallel scavenge收集器具有自适应调节策略在这种模式下，年轻代的大小、Eden和Survivor的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整，已达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。在手动调优比较困难的场合，可以直接使用这种自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量（GCTimeRatio）和停顿时间（MaxGCPauseMil1s），让虚拟机自己完成调优工作。

3.4 CMS收集器 低延迟

CMS收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。适用于希望系统停顿时间短，给用户良好体验的引用。CMS收集器是基于 “标记-清除”算法实现的，它的运作过程分为四个步骤：

  • 初始标记(CMS initial mark)：标记 GC Roots 能直接关联到的对象
  • 并发标记(CMS concurrent mark)：进行 GC Roots Tracing
  • 重新标记(CMS remark)：修正并发标记期间的变动部分
  • 并发清除(CMS concurrent sweep)

其中初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要 暂停其它工作线程。初始标记只是标记GCRoot能关联的对象
过程很快。并发标记阶段进行GCRoot Tracing 时间较长，重新标记这个阶段停顿的时间比初始标记阶段的时间要长，但远比并发标记阶段的停顿时间要短。

垃圾回收器 - 图8

优点

  • 并发收集

  • 低延迟

    缺点

  • 会产生内存碎片，导致并发清除后，用户线程可用的空间不足。在无法分配大对象的情况下，不得不提前触发FullGC。

  • CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户停顿，但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。

  • 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。在并发标记阶段由于程序的工作线程和垃圾收集线程是同时运行或者交叉运行的，那么在并发标记阶段如果产生新的垃圾对象，CMS将无法对这些垃圾对象进行标记，最终会导致这些新产生的垃圾对象没有被及时回收，从而只能在下一次执行GC时释放这些之前未被回收的内存空间。

    3.5 小结

    HotSpot有这么多的垃圾回收器，Serial GC、Parallel GC、CMS GC这三个Gc有什么不同呢？

  • 如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选Serial GC；

  • 如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel GC；

  • 如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS GC。

    3.6 G1收集器

    G1收集器是垃圾收集器理论进一步发展的产物，一是基于 “标记-整理” 算法实现的收集器。也就是说不会产生空间碎片。二是它可以非常精确的控制停顿。
    G1收集器可以实现在基本不牺牲吞吐量的前提下完成低提顿的内存回收，因为它极力避免全区域的垃圾回收，G1将整个Java堆(新生代、老年代)划分为多个大小固定的独立区域，并且跟踪这些区域里面的垃圾堆积程度，在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收垃圾最多的区域。
    运作步骤:

  • 初始标记(Initial Marking)

  • 并发标记(Concurrent Marking)
  • 最终标记(Final Marking)
  • 筛选回收(Live Data Counting and Evacuation)

垃圾回收器 - 图9

G1垃圾收集器的优点

与其他GC收集器相比，G1使用了全新的分区算法，其特点如下所示：
并行与并发

  • 并行性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。
  • 并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况

分代收集

  • 从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。
  • 将堆空间分为若干个区域（Region），这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
  • 和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代；

空间整合

  • CMS：“标记-清除”算法、内存碎片、若干次GC后进行一次碎片整理

  • G1将内存划分为一个个的region。内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩（Mark-Compact）算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

    G1垃圾收集器的缺点

    相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中，G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用（Footprint）还是程序运行时的额外执行负载（overload）都要比CMS要高。
    从经验上来说，在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在6-8GB之间。

    G1参数设置

  • -XX:+UseG1GC：手动指定使用G1垃圾收集器执行内存回收任务

  • -XX:G1HeapRegionSize设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB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: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200ms
  • -XX:+ParallelGcThread 设置STW工作线程数的值。最多设置为8
  • -XX:ConcGCThreads 设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGcThreads）的1/4左右。
  • -XX:InitiatingHeapoccupancyPercent 设置触发并发Gc周期的Java堆占用率阈值。超过此值，就触发GC。默认值是45。

    G1收集器的适用场景

    面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。（在普通大小的堆里表现并不惊喜）