JVM基础系列第9讲:JVM垃圾回收器

前面文章中,我们介绍了 Java 虚拟机的内存结构,Java 虚拟机的垃圾回收机制,那么这篇文章我们说说具体执行垃圾回收的垃圾回收器。

总的来说,Java 虚拟机的垃圾回收器可以分为四大类别:串行回收器、并行回收器、CMS 回收器、G1 回收器。

串行回收器

串行回收器是指使用单线程进行垃圾回收的回收器。因为每次回收时只有一个线程,因此串行回收器在并发能力较弱的计算机上,其专注性和独占性的特点往往能让其有更好的性能表现。

串行回收器可以在新生代和老年代使用,根据作用于不同的堆空间,分为新生代串行回收器和老年代串行回收器。

新生代串行回收器

串行收集器是所有垃圾回收器中最古老的一种,也是 JDK 中最基本的垃圾回收器之一。

在新生代串行回收器中使用的是复制算法。在串行回收器进行垃圾回收时,会触发 Stop-The-World 现象,即其他线程都需要暂停,等待垃圾回收完成。因此在某些情况下,其会造成较为糟糕的用户体验。

使用 -XX:+UseSerialGC 参数可以指定使用新生代串行收集器和老年代串行收集器。当虚拟机在 Client 模式下运行时,其默认使用该垃圾收集器。

老年代串行回收器

在老年代串行回收器中使用的是标记压缩算法。其与新生代串行收集器一样,只能串行、独占式地进行垃圾回收,因此也经常会有较长时间的 Stop-The-World 发生。

但老年代串行回收器的好处之一,就是其可以与多种新生代回收器配合使用。若要启用老年代串行回收器,可以尝试以下参数:

  • -XX:UseSerialGC:新生代、老年代都使用串行回收器。
  • -XX:UseParNewGC:新生代使用 ParNew 回收器,老年代使用串行回收器。
  • -XX:UseParallelGC:新生代使用 ParallelGC 回收器,老年代使用串行回收器。

并行回收器

并行回收器在串行回收器的基础上做了改进,其使用多线程进行垃圾回收。对于并行能力强的机器,可以有效缩短垃圾回收所使用的时间。

根据作用内存区域的不同,并行回收器也有三个不同的回收器:新生代 ParNew 回收器、新生代 ParallelGC 回收器、老年代 ParallelGC 回收器。

新生代 ParNew 回收器

新生代 ParNew 回收器工作在新生代,其只是简单地将串行回收器多线程化,其回收策略、算法以及参数和新生代串行回收器一样。

新生代 ParNew 回收器同样使用复制的垃圾回收算法,其垃圾收集过程中同样会触发 Stop-The-World 现象。但因为其使用多线程进行垃圾回收,因此在并发能力强的 CPU 上,其产生的停顿时间要短于串行回收器。

但在单 CPU 或并能能力弱的系统中,并行回收器效果会因为线程切换的原因,其实际表现反而不如串行回收器。

要开启新生代 ParNew 回收器,可以使用以下参数:

  • -XX:+UseParNewGC:新生代使用 ParNew 回收器,老年代使用串行回收器。
  • -XX:UseConcMarkSweepGC:新生代使用 ParNew 回收器,老年代使用 CMS。
  • -XX:ParallelGCThreads:指定 ParNew 回收器的工作线程数量。

新生代 Parallel GC 回收器

新生代 Parallel GC 回收器与新生代 ParNew 回收器非常类似,其也是使用复制算法,都是多线程、独占式的收集器,也会导致 Stop-The-World。但其余 ParNew 回收器的一个重大不同是:其非常注重系统的吞吐量。

之所以说新生代 Parallel GC 回收器非常注重系统吞吐量,是因为其有一个自适应 GC 调节策略。我们可以使用 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy 参数打开这个策略,在这个模式下,新生代的大小、Eden 和 Survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等参数都会被自动调节,已达到堆大小、吞吐量、停顿时间的平衡点。

Parallel GC 回收器提供了两个重要参数用于控制系统的吞吐量。

  • -XX:MaxGCPauseMillis:设置最大垃圾收集停顿时间。在 ParallelGC 工作时,其会自动调整响应参数,将停顿时间控制在设置范围内。为了达到目的,其可能会使用较小的堆,但这会导致 GC 较为频繁。
  • -XX:GCTimeRatio:设置吞吐量大小,其实一个 0 - 100 的整数。假设 GCTimeRatio 的值为 n,那么系统将不花费超过 1/(1+n) 的时间用于垃圾手机。比如 GCTimeRatio 值为 19,那么系统用于垃圾收集的时间不超过 1 /(1+19) = 5%。默认情况下,它的取值是 99,即不超过 1% 的时间用于垃圾收集。

新生代 Parallel GC 回收器可以使用以下参数启用:

  • -XX:+UseParallelGC:新生代使用 Parallel 回收器,老年代使用串行回收器。
  • -XX:+UseParallelOldGC:新生代使用 ParallelGC 回收器,老年代使用 ParallelOldGC 回收器。

老年代 ParallelOldGC 回收器

老年代 ParallelOldGC 回收器也是一种多线程并发的回收器,与新生代 ParallelGC 收集器一样,其也是注重吞吐量的收集器,只不过其是作用于老年代。

ParallelOldGC 回收器使用的是标记压缩算法,只有在 JDK 1.6 中才可以使用。我们可以使用-XX:UseParallelOldGC参数在新生代中使用 ParallelGC 收集器,在老年代中使用 ParallelOldGC 收集器。参数 -XX:ParallelGCThreads也可以用于设置垃圾回收时的线程数量。

CMS 回收器

与 ParallelGC 和 ParallelOldGC 不同,CMS 回收器主要关注系统停顿时间。CMS 回收器全称为 Concurrent Mark Sweep,意为标记清除算法,其是一个使用多线程并行回收的垃圾回收器。

工作步骤

CMS 的主要工作步骤有:初始标记、并发标记、预清理、重新标记、并发清除和并发充值。其中初始标记和重新标记是独占系统资源的,而其他阶段则可以和用户线程一起执行。

在整个 CMS 回收过程中,默认情况下会有预清理的操作,我们可以关闭开关 -XX:-CMSPrecleaningEnabled 不进行预清理。因为重新标记是独占 CPU 的,因此如果新生代 GC 发生之后,立刻出发一次新生代 GC,那么停顿时间就会很长。为了避免这种情况,预处理时会刻意等待一次新生代 GC 的发生,之后在进行预处理。

主要参数

启动 CMS 回收器刻意使用参数:-XX:+UseConcMarkSweepGC,线程并发数量刻意通过 -XX:ConcGCThreads-XX:ParallelCMSThreads 参数设定。

此外,我们还可以设置 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 来指定老年代空间使用阈值。当老年代空间使用率达到这个阈值时,会执行一次 CMS 回收,而不像其他回收器一样等到内存不够用的时候才进行 GC。

我们之前说过标记清除算法的缺点是会产生内存碎片,因此 CMS 回收器会产生较多内存碎片。我们可以使用 XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 参数让 CMS 在完成垃圾回收后,进行一次内存碎片整理。使用 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 参数设置进行多少次 CMS 回收后,进行一次内存压缩。

此外,如果希望使用 CMS 回收 Perm 区,那么则可以打开 -XX:+CMSClassUnloadingEnabled 开关。打开该开关后,如果条件允许,那么系统会使用 CMS 的机制回收 Perm 区 Class 数据。

G1 回收器

G1 回收器是 JDK 1.7 中使用的全新垃圾回收器,从长期目标来看,其是为了取代 CMS 回收器。

G1 回收器拥有独特的垃圾回收策略,和之前所有垃圾回收器采用的垃圾回收策略不同。从分代看,G1 依然属于分代垃圾回收器。但它最大的改变是使用了分区算法,从而使得 Eden 区、From 区、Survivor 区和老年代等各块内存不必连续。

在 G1 回收器之前,所有的垃圾回收器其内存分配都是连续的一块内存,如下图所示。

而在 G1 回收器中,其将一大块的内存分为许多细小的区块,从而不要求内存是连续的。

从上图可以看到,每个Region被标记了 E、S、O 和 H,说明每个 Region 在运行时都充当了一种角色。所有标记为 E 的都是 Eden 区的内存,它们散落在内存的各个角落,并不要求内存连续。同理,Survivor 区、老年代(Old)也是如此。

从上图我们还可以看到 H 是以往算法中没有的,它代表 Humongous。这表示这些 Region 存储的是巨型对象(humongous object,H-obj),当新建对象大小超过 Region 大小一半时,直接在新的一个或多个连续 Region 中分配,并标记为 H。

堆内存中一个 Region 的大小可以通过 -XX:G1HeapRegionSize 参数指定,大小区间只能是1M、2M、4M、8M、16M 和 32M,总之是2的幂次方。如果G1HeapRegionSize 为默认值,即把设置的最小堆内存按照2048份均分,最后得到一个合理的大小。

工作步骤

G1 收集器的收集过程主要有四个阶段:

  • 新生代 GC
  • 并发标记周期
  • 混合收集
  • 如果需要,可能进行 FullGC

新生代 GC 与其他垃圾收集器的类似,就是清空 Eden 区,将存活对象移动到 Survivor 区,部分年龄到了就移动到老年代。

并发标记周期则分为:初始标记、根区域扫描、并发标记、重新标记、独占清理、并发清理阶段。其中初始标记、重新标记、独占清理是独占式的,会引起停顿。并且初始标记会引发一次新生代 GC。在这个阶段,所有将要被回收的区域会被 G1 记录在一个称之为 Collection Set 的集合中。

混合回收阶段会首先针对 Collection Set 中的内存进行回收,因为这些垃圾比例较高。G1 回收器的名字 Garbage First 就是这个意思,垃圾优先处理的意思。在混合回收的时候,也会执行多次新生代 GC 和 混合 GC,从而来进行内存的回收。

必要时进行 Full GC。当在回收阶段遇到内存不足时,G1 会停止垃圾回收并进行一次 Full GC,从而腾出更多空间进行垃圾回收。

相关参数

打开 G1 收集器,我们可以使用参数:`-XX:+UseG1GC。

设置目标最大停顿时间,可以使用参数:-XX:MaxGCPauseMillis

设置 GC 工作线程数量,可以使用参数:-XX:ParallelGCThreads

设置堆使用率触发并发标记周期的执行,可以使用参数:-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent

总结

从一开始的串行回收器,到后来的并行回收器、CMS回收器,到最后的 G1 回收器,垃圾回收器不断改进,使得垃圾回收效率不断提升。特别是分区思想诞生后,对于垃圾回收停顿时间的控制更加细腻,可以让应用有更完美的延时控制,从而呈现更好的用户体验。

参考资料

G1 垃圾收集器介绍 - ImportNew


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posted @ 2018-11-22 09:10 陈树义 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏