Java垃圾收集器——Serial,Parallel,CMS,G1收集器概述

1.概述

Java应用启动的时候,除了配置Xms以及Xmx参数(Xmx:InitialHeapSize, Xms:MaxHeapSize),还需要选择合适的垃圾收集器。
截止Jdk1.8,共提供了7款垃圾收集器,每一款垃圾收集器都具有不同的特点。我们所需要做的就是,根据Java应用的特点已经部署环境,确定不同垃圾收集器的组合。这几款垃圾收集器之间联系如下图所示:

由上图可知,Serial,ParNew,Parallel Scavenge主要负责Young generation区域的垃圾回收,CMS,Serial Odl, Parallel Old主要负责Tenured generation区域的垃圾回收,G1在Young generation以及Tenured generation区域均可以使用(详细原因在下文会进行阐述)。

2.垃圾收集器概述

jdk提供了多重垃圾收集器,下文会提供主流的垃圾收集器搭配组合,各种组合按照特点分为以下三类:

  • 串行收集器:Serial + Serial Old;
  • 并行收集器: Parallel Scavenge + Parallel Old,专注于应用吞吐量;
  • 并发收集器:CMS,G1,专注于响应时间。

2.1 Serial收集器

Serial收集器(Serial + Serial Old)的主要特点是单线程回收资源。当需要执行垃圾回收时,程序会暂停一切工作(又称为Stop The World,STW),使用复制算法完成垃圾清理工作。

优点:

  • 简单高效,是Client模式下默认的垃圾收集器;
  • 对于资源受限的环境,比如单核(例如Docker中设置单核),单线程效率较高;
  • 内存小于一两百兆的桌面程序中,交互有限,则有限的STW是可以接受的。

缺点:

  • 垃圾回收速度较慢且回收能力有限,频繁的STW会导致较差的使用体验。

ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本,除了使用多线程进行垃圾收集工作,其他的控制参数,收集算法,对象分配规则等均与Serial收集器一致。
ParNew收集器在单核/双核环境下,效率未必有Serial收集器工作效率高(多线程切换开销等因素限制),当然随着核数的增加,其性能也会得到较大的提升。

2.2 Parallel收集器

Parallel收集器(Parallel Scavenge + Parallel Old)相比于Serial收集器的主要特点是,其是通过多线程完成垃圾的清理工作。其中Parallel Scavenge使用复制算法完成垃圾收集(Parallel Old使用标记整理算法),如果从这一点看其与ParNew相似,但实际上两者的出发点存在区别,区别如下所示:

  • ParNew出发点在于加速资源回收的速度,以减少应用的STW时间;
  • Parallel Scavenge出发点在于资源回收的吞吐量(吞吐量:用户线程时间/(用户线程时间 + GC线程时间)).

高吞吐量适合于交互较少的后台应用程序(诸如科学计算应用),能够更加充分的压榨CPU。开发者可以根据应用的实际情况,通过调整以下两个参数追求最优性能:

  • 最大停顿时间:垃圾收集器在执行垃圾回收时终端应用执行的最大时间间隔,-XX:MaxGCPauseMills;
  • 吞吐量:执行垃圾收集的时间与执行应用的时间占比,-XX:GCTimeRatio=,垃圾收集时间占比:1/(1+N)。

2.3 CMS收集器

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是jdk 1.5推出的第一款真正意义上的并发收集器(针对老年代),实现了让垃圾收集器与用户线程(近似)同时工作,其具有以下特点:

  • 基于"标记-清除"算法;
  • 以获取最短回收停顿时间为目标;
  • 并发收集,停顿时间短。

CMS的垃圾收集过程比较复杂,主要步骤如下所示:

(1) CMS Initial Mark:初始标记Root(会STW,单线程执行,不过因为仅仅把GC Roots的直接可达对象标记一下,所以速度较快);
(2) CMS Concurrent Mark:并发标记;
(3) CMS Concurrent Preclean: 并发预清理;
(4) CMS Remark: 并发标记(会STW,此步骤是因为在并发标记的过程中可能会产生新的垃圾,需要重新标记新产生的垃圾);
(5) CMS Concurrent Sweep: 并发清除;
(6) CMS Concurrent Reset: 并发重置。

以上步骤中,最为耗费时间的并发标记与并发清除阶段,不需要应用程序暂停执行,所以垃圾回收的停顿时间较短。

缺点:

  • 对CPU资源敏感:并发收集虽然不会暂停应用程序,但是会占用CPU资源从而降低应用程序的执行效率(CMS默认收集线程数量=(CPU数量 + 3) / 4);
  • 产生浮动垃圾:在并发清除时,用户线程会产生新的垃圾,称之为浮动垃圾(并发清除时需要预留内存空间,不能像其他收集器在老年代几乎填满之后再进行收集工作)。
  • 产生空间碎片:使用"标记-清除"算法,会产生大量不连续的内存碎片,从而导致在分配大内存对象时,无法找到足够的连续内存,从而需要提前触发一次Full GC操作。

针对以上缺点,可以从如下参数进行改进:

  • -XX:ConcGCThreads:并发的GC线程数,从而降低CPU敏感度;
  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction:合理设置CMS的预留内存空间;
  • -XX:+UseCMSCompactAtFullGCCollection: FullGC之后执行压缩操作,消减内存碎片;
  • -XX:CMSFullGCBeforeCompaction: 执行多次FullGC之后执行压缩操作,消减内存碎片。

2.4 G1收集器

需要注意的是G1垃圾收集器在新生代以及老年代都能进行工作,这是因为相比于前面所介绍的垃圾收集器,它具有不同的堆内存结构。以前的垃圾收集器分代是划分为新生代、老牛代、持久带等

G1将内存划分为多个大小相同的Region(1-32M,上限2048个),每个Region均拥有自己的分代属性,这些分代不需要连续。通过划分Region,G1可以根据计算老年代对象的效益率,优先回收具有最高效益率的对象(分代的内存不连续,GC搜索垃圾时需要全盘扫描找出对象引用情况,G1通过在每个Region中维护一个Remembered Set记录对象引用情况解决此问题)。具体如下图所示:

G1提供了两种GC模式,Young GC以及Mixed GC,两种GC都会STW。

2.4.1 Young GC

选定所有年轻代里的Region。通过控制年轻代的region个数,即年轻代内存大小,来控制young GC的时间开销。

2.4.2 Mixed GC

选定所有年轻代里的Region,外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的若干老年代Region,在用户指定的开销目标范围内尽可能选择收益高的老年代Region。

Mixed GC不是Full GC,它只能回收部分老年代的Region,如果mixed GC实在无法跟上程序分配内存的速度,导致老年代填满无法继续进行Mixed GC,就会使用serial old GC(full GC)来收集整个GC heap(此时效率就会很低下)。所以我们可以知道,G1是不提供Full GC的。

在执行Mixed GC之前需要进行并发标记过程(Global Concurrent Marking),具体步骤如下图所示:

  • Initial marking phase: 标记GCRoots(会STW);
  • Root region scanning phase: 标记存活Region;
  • Concurrent marking phase:标记存活的对象;
  • Remark phase:重新标记(会STW);
  • Cleanup phase: 回收内存。

需要注意,Mixed GC并不是一次性执行完,其会分为多个步骤执行(具体可见下一篇关于GC日志的文章)。在每次执行时,G1会计算每个Region中垃圾占内存分段比例,如果超过了-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent,则进行回收操作。此外,G1中可以设置堆内存中有多少空间允许浪费,即-XX:G1HeapWastePercent,在并发标记结束后,可以知道有多少空间要被回收,在每次Young GC和发生Mixed GC之前,会检查垃圾占比是否到达了此阈值,只有到达了,才会发生Mixed GC。

PS:
资料收集过程中,感谢以下作者文章的参考:
https://bdqfork.cn/articles/33
https://juejin.im/post/5bade237e51d450ea401fd71

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程序员打怪之路

posted @ 2019-10-24 15:05  从此寂静无声  阅读(2317)  评论(0编辑  收藏  举报