JVM 垃圾回收算法 与 垃圾收集器

 

JVM 垃圾回收算法 与 垃圾收集器

 

1、简介

常用的垃圾回收算法有标记清除，复制，标记整理和分代收集算法。如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

2、标记清除算法

      标记清除算法就是分为“标记”和“清除”两个阶段。标记出所有需要回收的对象，标记结束后统一回收。这个套路很简单，也存在不足，后续的算法都是根据这个基础来加以改进的。其实它就是把已死亡的对象标记为空闲内存，然后记录在一个空闲列表中，当我们需要new一个对象时，内存管理模块会从空闲列表中寻找空闲的内存来分给新的对象。不足的方面就是标记和清除的效率比较低下。且这种做法会让内存中的碎片非常多。这个导致了如果我们需要使用到较大的内存块时，无法分配到足够的连续内存。此时可使用的内存块都是零零散散的，导致了大内存对象问题。

比如下图：

 3、复制算法

为了解决效率问题，复制算法就出现了。它将可用内存按容量划分成两等分，每次只使用其中的一块。和survivor一样也是用from和to两个指针这样的玩法。fromPlace存满了，就把存活的对象copy到另一块toPlace上，然后交换指针的内容。这样就解决了碎片的问题。这个算法的代价就是把内存缩水了，这样堆内存的使用效率就会变得十分低下了。不过它们分配的时候也不是按照1:1这样进行分配的，就类似于Eden和Survivor也不是等价分配是一个道理。

 

4、标记整理算法

     复制算法在对象存活率高的时候会有一定的效率问题，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

 

5、分代收集算法

这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或者“标记-整理”算法来进行回收。说白了就是八仙过海各显神通，具体问题具体分析了而已。

 

6、垃圾回收器

1 、Serial收集器(-XX:+UseSerialGC -XX:+UseSerialOldGC)

Serial（串行）收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。单线程收集器，更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程（ "Stop The World" ），直到它收集结束。Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器。它主要有两大用途：一种用途是在JDK1.5以及以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另一种用途是作为CMS收集器的后备方案。新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。

 

2、Parallel Scavenge收集器(-XX:+UseParallelGC(年轻代),-XX:+UseParallelOldGC(老年代)) -- JDK8默认的新生代和老年代收集器

Parallel收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为（控制参数、收集算法、回收策略等 等）和Serial收集器类似。默认的收集线程数跟cpu核数相同，当然也可以用参数(-XX:ParallelGCThreads)指定收集线程数，但是一般 不推荐修改。 Parallel Scavenge收集器关注点是吞吐量（高效率的利用CPU）。CMS等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高 用户体验）。所谓吞吐量就是CPU中用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值。

 

3 、ParNew收集器(-XX:+UseParNewGC)

ParNew收集器其实跟Parallel收集器很类似，区别主要在于它可以和CMS收集器配合使用。

 

 

4 、CMS收集器(-XX:+UseConcMarkSweepGC(old))

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使 用，它是HotSpot虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。 从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出，CMS收集器是一种 “标记-清除”算法实现的，它的运作过程相比于前面几种垃圾收集 器来说更加复杂一些。

整个过程分为四个步骤：

• 初始标记： 暂停所有的其他线程(STW)，并记录下gc roots直接能引用的对象，速度很快。
• 并发标记： 并发标记阶段就是从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程， 这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线 程， 可以与垃圾收集线程一起并发运行。因为用户程序继续运行，可能会有导致已经标记过的对象状态发生改变。
• 重新标记： 重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录(主要 是处理漏标问题)，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短。主要用到三色标记里的增量更新算法(见下面详解)做重新标记。
• 并发清理： 开启用户线程，同时GC线程开始对未标记的区域做清扫。这个阶段如果有新增对象会被标记为黑色不做任何处理(见下 面三色标记算法详解)。 
• 并发重置：重置本次GC过程中的标记数据。

 主要优点：并发收集、低停顿。

缺点：

• 对CPU资源敏感（会和服务抢资源）；
• 无法处理浮动垃圾(在并发标记和并发清理阶段又产生垃圾，这种浮动垃圾只能等到下一次gc再清理了)；
• 它使用的回收算法-“标记-清除”算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生，当然通过参数XX:+UseCMSCompactAtFullCollection可以让jvm在执行完标记清除后再做整理。
• 执行过程中的不确定性，会存在上一次垃圾回收还没执行完，然后垃圾回收又被触发的情况，特别是在并发标记和并发清理阶 段会出现，一边回收，系统一边运行，也许没回收完就再次触发full gc，也就是"concurrent mode failure"，此时会进入stop the world，用serial old垃圾收集器来回收 。

CMS的相关核心参数 ：

1. -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用cms 
2. -XX:ConcGCThreads：并发的GC线程数
3. -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之后做压缩整理（减少碎片）
4. -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次FullGC之后压缩一次，默认是0，代表每次FullGC后都会压缩一次
5. -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction: 当老年代使用达到该比例时会触发FullGC（默认是92，这是百分比）
6. -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：只使用设定的回收阈值(-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设定的值)，如果不指定，
JVM仅在第一次使用设定值，后续则会自动调整
7. -XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在CMS GC前启动一次minor gc，降低CMS GC标记阶段(也会对年轻代一起做标记，如果在
minor gc就干掉了很多对垃圾对象，标记阶段就会减少一些标记时间)时的开销，一般CMS的GC耗时 80%都在标记阶段
8. -XX:+CMSParallellnitialMarkEnabled：表示在初始标记的时候多线程执行，缩短STW
9. -XX:+CMSParallelRemarkEnabled：在重新标记的时候多线程执行，缩短STW;

一次服务器8G内存的调优示例（使用ParNew+CMS）： 

-Xms3072M -Xmx3072M -Xmn2048M -Xss1M  -XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M  -XX:SurvivorRatio=8 
-XX:MaxTenuringThreshold=5 -XX:PretenureSizeThreshold=1M -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC 
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3

 

 关于并发标记清除的底层算法实现--三色标记算法

在并发标记的过程中，因为标记期间应用线程还在继续跑，对象间的引用可能发生变化，多标和漏标的情况就有可能发生。漏标的问 题主要引入了三色标记算法来解决。

三色标记算法是把Gc roots可达性分析遍历对象过程中遇到的对象， 按照“是否访问过”这个条件标记成以下三种颜色：

• 黑色： 表示对象已经被垃圾收集器访问过， 且这个对象的所有引用都已经扫描过。它是安全存活 的， 如果有其他对象引用指向了黑色对象， 无须重新扫描一遍。 黑色对象不可能直接（不经过灰色对象） 指向某个白色对象。
• 灰色： 表示对象已经被垃圾收集器访问过， 但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。
• 白色： 表示对象尚未被垃圾收集器访问过。 显然在可达性分析刚刚开始的阶段， 所有的对象都是白色的， 若在分析结束的阶段， 仍然是白色的对象， 即代表不可达。

多标-浮动垃圾

在并发标记过程中，如果由于方法运行结束导致部分局部变量(gcroot)被销毁，这个gcroot引用的对象之前又被扫描过(被标记为非垃 圾对象)，那么本轮GC不会回收这部分内存。这部分本应该回收但是没有回收到的内存，被称之为“浮动垃圾”。浮动垃圾并不会影 响垃圾回收的正确性，只是需要等到下一轮垃圾回收中才被清除。

另外，针对并发标记(还有并发清理)开始后产生的新对象，通常的做法是直接全部当成黑色，本轮不会进行清除。这部分对象期间可 能也会变为垃圾，这也算是浮动垃圾的一部分。 

漏标-读写屏障

漏标会导致被引用的对象被当成垃圾误删除，这是严重bug，必须解决，有两种解决方案： 增量更新（Incremental Update） 和原 始快照（Snapshot At The Beginning，SATB） 。

增量更新（CMS使用）就是当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时， 就将这个新插入的引用记录下来， 等并发扫描结束之后， 再将这些 记录过的引用关系中的黑色对象为根， 重新扫描一次。 这可以简化理解为， 黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后， 它就 变回灰色对象了。

原始快照（G1使用）就是当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时， 就将这个要删除的引用记录下来， 在并发扫描结束之后， 再将这些记 录过的引用关系中的灰色对象为根， 重新扫描一次，这样就能扫描到白色的对象，将白色对象直接标记为黑色(目的就是让这种对象 在本轮gc清理中能存活下来，待下一轮gc的时候重新扫描，这个对象也有可能是浮动垃圾) 以上无论是对引用关系记录的插入还是删除， 虚拟机的记录操作都是通过写屏障实现的。

记忆集与卡表

在新生代做GCRoots可达性扫描过程中可能会碰到跨代引用的对象，这种如果又去对老年代再去扫描效率太低了。 为此，在新生代可以引入记录集（Remember Set）的数据结构（记录从非收集区到收集区的指针集合），避免把整个老年代加入 GCRoots扫描范围。事实上并不只是新生代、 老年代之间才有跨代引用的问题， 所有涉及部分区域收集（Partial GC） 行为的垃圾 收集器， 典型的如G1、 ZGC和Shenandoah收集器， 都会面临相同的问题。 垃圾收集场景中，收集器只需通过记忆集判断出某一块非收集区域是否存在指向收集区域的指针即可，无需了解跨代引用指针的全部 细节。 hotspot使用一种叫做“卡表”(Cardtable)的方式实现记忆集，也是目前最常用的一种方式。关于卡表与记忆集的关系， 可以类比为 Java语言中HashMap与Map的关系。 卡表是使用一个字节数组实现：CARD_TABLE[ ]，每个元素对应着其标识的内存区域一块特定大小的内存块，称为“卡页”。 hotSpot使用的卡页是2^9大小，即512字节。

一个卡页中可包含多个对象，只要有一个对象的字段存在跨代指针，其对应的卡表的元素标识就变成1，表示该元素变脏，否则为0。GC时，只要筛选本收集区的卡表中变脏的元素加入GCRoots里。

卡表的维护： 卡表变脏上面已经说了，但是需要知道如何让卡表变脏，即发生引用字段赋值时，如何更新卡表对应的标识为1。

 

5、G1收集器(-XX:+UseG1GC) JDK9以后默认收集器

G1将Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），JVM最多可以有2048个Region。G1有专门分配 大对象的Region叫Humongous区，而不是让大对象直接进入老年代的Region中。在G1中，大对象的判定规则就是一 个大对象超过了一个Region大小的50%。而且一个大对象如果太大，可能会横跨多个Region来存放。

G1收集器一次GC的运作过程大致分为以下几个步骤：

• 初始标记（initial mark，STW）：暂停所有的其他线程，并记录下gc roots直接能引用的对象，速度很快 。
• 并发标记（Concurrent Marking）：同CMS的并发标记。
• 最终标记（Remark，STW）：同CMS的重新标记。
• 筛选回收（Cleanup，STW）：筛选回收阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期 望的GC停顿时间(可以用JVM参数 -XX:MaxGCPauseMillis指定)来制定回收计划，回收算法主要用的是复制算法，将一个region中的存活对象复制到另一个region中，这种不会像CMS那样 回收完因为有很多内存碎片还需要整理一次，G1采用复制算法回收几乎不会有太多内存碎片。

G1收集器在后台维护了一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的Region(这也就是它的名字 Garbage-First的由来)，

它具备以下特点：

• 并行与并发：G1能充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者CPU核心）来缩短StopThe-World停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿Java线程来执行GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式 让java程序继续执行。
• 分代收集：虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但是还是保留了分代的概念。
• 空间整合：与CMS的“标记--清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器；从局部 上来看是基于“复制”算法实现的。
• 可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一个大优势，降低停顿时间是G1 和 CMS 共同的关注点，但G1 除了 追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段(通过参数"- XX:MaxGCPauseMillis"指定)内完成垃圾收集。

G1垃圾收集分类

• YoungGC： YoungGC并不是说现有的Eden区放满了就会马上触发，G1会计算下现在Eden区回收大概要多久时间，如果回收时 间远远小于参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么增加年轻代的region，继续给新对象存放，不会马上做Young  GC，直到下一次Eden区放满，G1计算回收时间接近参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么就会触发Young GC。
• MixedGC： 不是FullGC，老年代的堆占有率达到参数(-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)设定的值则触发，回收所有的 Young和部分Old(根据期望的GC停顿时间确定old区垃圾收集的优先顺序)以及大对象区，正常情况G1的垃圾收集是先做 MixedGC，主要使用复制算法，需要把各个region中存活的对象拷贝到别的region里去，拷贝过程中如果发现没有足够 的空region能够承载拷贝对象就会触发一次Full GC。
• Full GC： 停止系统程序，然后采用单线程进行标记、清理和压缩整理，好空闲出来一批Region来供下一次MixedGC使用，这 个过程是非常耗时的。(Shenandoah优化成多线程收集了) 。

G1收集器参数设置：

  -XX:+UseG1GC:使用G1收集器
  -XX:ParallelGCThreads:指定GC工作的线程数量
  -XX:G1HeapRegionSize:指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的N次幂)，默认将整堆划分为2048个分区
  -XX:MaxGCPauseMillis:目标暂停时间(默认200ms)
  -XX:G1NewSizePercent:新生代内存初始空间(默认整堆5%)
  -XX:G1MaxNewSizePercent:新生代内存最大空间
  -XX:TargetSurvivorRatio:Survivor区的填充容量(默认50%)，Survivor区域里的一批对象(年龄1+年龄2+年龄n的多个
年龄对象)总和超过了Survivor区域的50%，此时就会把年龄n(含)以上的对象都放入老年代
  -XX:MaxTenuringThreshold:最大年龄阈值(默认15)
  -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent:老年代占用空间达到整堆内存阈值(默认45%)，则执行新生代和老年代的混合
收集(MixedGC)，比如我们之前说的堆默认有2048个region，如果有接近1000个region都是老年代的region，则可能
就要触发MixedGC了
 -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默认85%)  region中的存活对象低于这个值时才会回收该region，如果超过这
个值，存活对象过多，回收的的意义不大。
  -XX:G1MixedGCCountTarget:在一次回收过程中指定做几次筛选回收(默认8次)，在最后一个筛选回收阶段可以回收一
会，然后暂停回收，恢复系统运行，一会再开始回收，这样可以让系统不至于单次停顿时间过长。
  -XX:G1HeapWastePercent(默认5%): gc过程中空出来的region是否充足阈值，在混合回收的时候，对Region回收都
是基于复制算法进行的，都是把要回收的Region里的存活对象放入其他Region，然后这个Region中的垃圾对象全部清
理掉，这样的话在回收过程就会不断空出来新的Region，一旦空闲出来的Region数量达到了堆内存的5%，此时就会立
即停止混合回收，意味着本次混合回收就结束了。

G1垃圾收集器优化建议

核心还是在于调节 -XX:MaxGCPauseMills 这个参数的值，在保证他的年轻代gc别太频繁的同时，还得考虑 每次gc过后的存活对象有多少,避免存活对象太多快速进入老年代，频繁触发mixed gc。

什么场景适合使用G1

• 1. 50%以上的堆被存活对象占用
• 2. 对象分配和晋升的速度变化非常大
• 3. 垃圾回收时间特别长，超过1秒
• 4. 8GB以上的堆内存(建议值)
• 5. 停顿时间是500ms以内

 

6、ZGC收集器(-XX:+UseZGC) 

Oracle开发的革命性低延迟收集器。其目标是实现亚毫秒级（<1ms）的最大暂停时间，并且暂停时间不会随堆大小的增加而增长。

核心技术：

• 染色指针：将元数据存储在指针中，而非对象头，这使得许多操作变得极其迅速。

• 并发处理：标记、转移（整理）、重定位等几乎所有阶段都是并发执行的。

• 负载屏障：与用户线程协同工作，在指针访问时“修复”因并发转移而陈旧的引用。

适用场景：

• 对延迟有极端要求的应用，如金融交易、实时游戏、大数据查询引擎。

• 超大堆（TB级别）应用。