前言

上篇文章对垃圾回收器进行了概述解说，那么本篇开始将具体理解垃圾回收器

一、GC的分类和性能指标

垃圾回收器概述

咱们说垃圾收集器没有在标准中进行过多的规定，能够由不同的厂商、不同版本的JVM来实现

因为JDK的版本处于高速迭代过程中，因而Java倒退至今曾经衍生了泛滥的GC版本

咱们从不同角度剖析垃圾收集器，能够将GC分为不同的类型

Java不同版本新个性

语法层面：Lambda表达式、switch、主动拆箱装箱、enum、泛型

API层面：Stream API、新的日期工夫、Optional、String、汇合框架

底层优化：JVM优化、GC的变动、元空间、动态域、字符串常量池等

垃圾回收器分类

按线程数分（垃圾回收线程数），能够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容许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，将此时工作线程被暂停直至垃圾收集工作完结

在诸如单CPU处理器或者较小的利用内存等硬件平台不是特地优越的场合，串行回收器的性能体现能够超过并行回收器和并发回收器。所以串行回收默认被利用在客户端的Client模式下的JVM中

在并发能力比拟强的CPU上，并行回收器产生的进展工夫要短于串行回收器

和串行回收相同，并行收集能够使用多个CPU同时执行垃圾回收，因而晋升了利用的吞吐量不过并行回收依然与串行回收一样，采纳独占式应用了“Stop-the-World”机制

依照工作模式分，能够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进展工夫

独占式垃圾回收器（Stop the World）一旦运行，就进行应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程齐全完结

按碎片解决形式分，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实现后，对存活对象进行压缩整顿打消回收后的碎片

    * 再调配对象空间：`应用指针碰撞`

  • 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作

    * 调配对象空间：`应用闲暇列表`

按工作的内存区间分，又可分为年老代垃圾回收器和老年代垃圾回收器

评估 GC 的性能指标

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吞吐量：

运行用户代码的工夫占总运行工夫的比例（总运行工夫 = 程序的运行工夫 + 内存回收的工夫）

垃圾收集开销：

吞吐量的补数，垃圾收集所用工夫与总运行工夫的比例

暂停工夫：

执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的工夫越小越好

收集频率：

绝对于应用程序的执行，收集操作产生的频率

内存占用：

Java堆区所占的内存大小

疾速：

一个对象从诞生到被回收所经验的工夫，不必的时候尽量回收掉

咱们把吞吐量、暂停工夫、内存占用这三者独特形成一个“不可能三角”

三者总体的体现会随着技术提高而越来越好。一款优良的收集器通常最多同时满足其中的两项

这三项里暂停工夫的重要性日益凸显。因为随着硬件倒退，内存占用多些越来越能容忍硬件性能的晋升也有助于升高收集器运行时对应用程序的影响即进步了吞吐量。而内存的扩充对提早反而带来负面成果

简略来说次要抓住两点：吞吐量、暂停工夫

评估 GC 的性能指标：吞吐量

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吞吐量就是CPU用于运行用户代码的工夫与CPU总耗费工夫的比值

即吞吐量=运行用户代码工夫 /（运行用户代码工夫+垃圾收集工夫）

比方：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%

这种状况下应用程序能容忍较高的暂停工夫，因而高吞吐量的应用程序有更长的工夫基准，反而疾速响应是不用思考的

评估 GC 的性能指标：暂停工夫

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“暂停工夫”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毫秒的暂停工夫意味着在这100毫秒期间内没有应用程序线程是流动的

评估 GC 的性能指标：吞吐量 VS 暂停工夫

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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

从最终用户的角度来看低暂停工夫（低提早）较好，然而不论是GC还是其余起因导致一个利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。因而具备较低的暂停工夫是十分重要的，特地是对于一个交互式应用程序（就是和用户交互比拟多的场景）

可怜的是”高吞吐量”和”低暂停工夫”是一对相互竞争的指标（矛盾）

  • 因为如果抉择以吞吐量优先，那么必然须要升高内存回收的执行频率，然而这样会导致GC须要更长的暂停工夫来执行内存回收
  • 相同的，如果抉择以低提早优先为准则，那么为了升高每次执行内存回收时的暂停工夫，也只能频繁地执行内存回收，但这又引起了年老代内存的缩减和导致程序吞吐量的降落

在设计（或应用）GC算法时，咱们必须确定咱们的指标：

  • 一个GC算法只可能针对两个指标之一（即只专一于较大吞吐量或最小暂停工夫）
  • 或者尝试找到一个二者的折衷

当初规范：在最大吞吐量优先的状况下，升高进展工夫

二、不同的垃圾回收器的概述

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

咱们能够用一张图来概括一些垃圾回收器的发展史

那么，Java常见的垃圾收集器有哪些？咱们接下来介绍七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

7款经典回收器与垃圾分代之间的关系

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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

垃圾收集器的组合关系

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两个收集器间有连线，表明它们能够搭配应用，咱们依据虚线与实线进行解说解说

JDK8前（不蕴含JDK8）

年老代：Serial GC 可搭配老年代CMS GC、Serial Old GC

年老代：ParNew GC 可搭配老年代CMS GC、Serial Old GC

年老代：Parallel Scavenge GC 可搭配老年代Parallel Old GC、Serial Old GC

其中Serial Old作为CMS呈现”Concurrent Mode Failure”失败的后备预案

在JDK 8 的时候

因为保护和兼容性测试的老本，将（红色虚线）Serial + CMS、ParNew + Serial Old这两个组合申明为废除（JEP173），并在JDK9中齐全勾销了这些组合的反对（JEP214）即：移除

在JDK 14 的时候

将弃用（绿色虚线）Parallel Scavenge和Serial Old GC组合（JEP366）

将删除（青色虚线）CMS垃圾回收器（JEP363）

那么咱们下面提到七种垃圾回收器，那么为什么须要那么多呢？一个不够吗？

因为Java的应用场景很多，挪动端，服务器等。所以就须要针对不同的场景，提供不同的垃圾收集器，进步垃圾收集的性能

尽管咱们会对各个收集器进行比拟，但并非为了筛选一个最好的收集器进去。没有一种放之四海皆准、任何场景下都实用的完满收集器存在，更加没有万能的收集器。所以咱们抉择的只是对具体利用最合适的收集器

查看默认的垃圾回收器

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常见的形式有

  • -XX:+PrintCommandLineFlags：查看命令行相干参数（蕴含应用的垃圾收集器）
  • 应用命令行指令：jinfo -flag 相干垃圾回收器参数 过程ID

咱们应用一个示例代码来领会领会看这两种形式查看默认的回收期

public class GcUseTest {    public static void main( string[ ] args) {        ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();        while(true){            byte[] arr = new byte[ 100];            list.add(arr);            try {                Thread.sleep( millis: 10);            }catch (InterruptedException e) {                e.printstackTrace( );            }            }    }}

咱们应用第一种形式设置相干的JDK 8 环境与相干参数

这时咱们运行起程序，看看控制台输入的默认垃圾回收器

接下来咱们应用第二种形式采纳命令行的形式查看一下

接下来咱们更换环境，采纳JDK9的环境应用参数看看是什么

这时咱们运行起程序，看看控制台输入的默认垃圾回收器

接下来咱们应用第二种形式采纳命令行的形式查看一下

三、Serial回收器：串行回收

Serial收集器是最根本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代惟一的抉择

Serial收集器作为HotSpot中Client模式下的默认新生代垃圾收集器

Serial收集器采纳复制算法、串行回收和"Stop-the-World"机制的形式执行内存回收

除了年老代之外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收集器同样也采纳了串行回收和”Stop the World”机制，只不过内存回收算法应用的是标记-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 Old在Server模式下次要有两个用处：

  • ①与新生代的Parallel Scavenge配合应用
  • ②作为老年代CMS收集器的后备垃圾收集计划

这个收集器是一个单线程的收集器，“单线程”的意义：它只会应用一个CPU（串行）或一条收集线程去实现垃圾收集工作。更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其余所有的工作线程，直到它收集完结（Stop The World）

在HotSpot虚拟机中，应用-XX:+UseSerialGC参数能够指定年老代和老年代都应用串行收集器

接下来应用示例代码来领会设置该Serial GC

public class GCUseTest {    public static void main(string[] args){        ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();            while(true){            byte[ ] arr = new byte[ 100];            list.add(arr);            try {                Thread.sleep( millis: 10);            }catch (InterruptedException e) {                e.printstackTrace() ;            }        }    }}

首先咱们该程序选项里配置参数应用Serial GC看看

这时咱们运行起程序，看看设置参数后是否以后为Serial回收器

咱们也能够依据下面查看默认回收器那样，应用cmd命令查看

Serial 回收器的劣势

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简略而高效（与其余收集器的单线程比）:

对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器因为没有线程交互的开销，分心做垃圾收集天然能够取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抉择

在用户的桌面利用场景中，可用内存个别不大（几十MB至一两百MB），能够在较短时间内实现垃圾收集（几十ms至一百多ms），只有不频繁产生，应用串行回收器是能够承受的

不过对于交互较强的利用而言这种垃圾收集器是不能承受的。个别在Java Web应用程序中是不会采纳串行垃圾收集器的

四、ParNew回收器：并行回收

Serial GC是年老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：只能解决新生代

ParNew 收集器除了采纳并行回收的形式执行内存回收外，两款垃圾收集器之间简直没有任何区别。ParNew收集器在年老代中同样也是采纳复制算法、"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

  • 对于新生代，回收次数频繁，应用并行形式高效。
  • 对于老年代，回收次数少，应用串行形式节俭资源。

那么因为ParNew收集器基于并行回收是否能够判定ParNew收集器的回收效率在任何场景下都会比Serial收集器更高效？

其实不然，ParNew收集器运行在多CPU的环境下，因为能够充分利用多CPU、多外围等物理硬件资源劣势，能够更疾速地实现垃圾收集，晋升程序的吞吐量

然而在单个CPU的环境下，ParNew收集器不比Serial收集器更高效。

尽管Serial收集器是基于串行回收，然而因为CPU不须要频繁地做工作切换，因而能够无效防止多线程交互过程中产生的一些额定开销。除Serial外，目前只有ParNew GC能与CMS收集器配合工作

在程序中能够通过选项"-XX:+UseParNewGC"手动指定应用ParNew收集器执行内存回收工作。它示意年老代应用并行收集器，不影响老年代

-XX:ParallelGCThreads：限度线程数量，默认开启和CPU数据雷同的线程数

接下来咱们应用下面的示例代码来设置对应的ParNew回收器，先通过选项来设置

后果当咱们运行起来的时候发现，程序呈现谬误

这时因为在JDK9中齐全勾销了（红色虚线）Serial + CMS、ParNew + Serial Old这些组合的反对

此时咱们将环境更换为JDK8的环境

此时咱们当程序运行起来就能够看到还是能够应用的

五、Paralle回收器：吞吐量优先

HotSpot的年老代中除了领有ParNew收集器是基于并行回收的以外，Parallel Scavenge收集器同样也采纳了复制算法、并行回收和”Stop the World”机制

那么Parallel收集器的呈现是否多此一举？
  • 其实不然和ParNew收集器不同，Parallel Scavenge收集器的指标则是达到一个可管制的吞吐量（Throughput），它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器
  • 以及自适应调节策略也是Parallel Scavenge与ParNew一个重要区别。（动静调整内存分配情况，以达到一个最优的吞吐量或低提早）

高吞吐量则能够高效率地利用CPU工夫，尽快实现程序的运算工作，次要适宜在后盾运算而不须要太多交互的工作。因而常见在服务器环境中应用。例如，那些执行批量解决、订单解决、工资领取、科学计算的应用程序

在Parallel Old收集器没进去之前应用的是串行的Serial Old收集器，而服务器端硬件比拟高应用并行的形式相比串行性情更高，但老年代还是应用串行的形式所显得达不到吞吐量最大的成果

所以Parallel收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallel Old收集器，用来代替老年代的Serial Old收集器，并且也是基于并行回收和”Stop-the-World”机制

在程序吞吐量优先的利用场景中，Parallel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

并且在在Java8中，默认是此垃圾收集器，咱们能够运行程序一起看看

Parallel 的回收器参数设置

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  • -XX:+UseParallelGC：手动指定年老代应用Parallel并行收集器执行内存回收工作
  • -XX:+UseParallelOldGC：手动指定老年代都是应用并行回收收集器

下面两个参数别离实用于新生代和老年代。默认开启一个，另一个也会被开启（相互激活）

  • -XX:ParallelGCThreads：设置年老代并行收集器的线程数

个别地最好与CPU数量相等，以防止过多的线程数影响垃圾收集性能，在默认状况下当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进展工夫（即STW的工夫）。单位是毫秒

为了尽可能地把进展工夫管制在设置工夫以内，收集器在工作时会调整Java堆大小或者其余一些参数

对于用户来讲进展工夫越短体验越好。然而在服务器端，咱们重视高并发，整体的吞吐量。所以服务器端适宜Parallel，进行管制（MaxGCPauseMillis 该参数应用需谨慎）

  • XX:+UseAdaptiveSizePolicy：设置Parallel Scavenge收集器具备自适应调节策略

开启后在该模式下，年老代的大小、Eden和Survivor的比例、降职老年代的对象年龄等参数会被主动调整，已达到在堆大小、吞吐量和进展工夫之间的平衡点

六、CMS回收器：低提早

在JDK1.5期间，Hotspot推出了一款在强交互利用中（就是和用户打交道的援用）简直可认为有划时代意义的垃圾收集器：CMS（Concurrent-Mark-Sweep）收集器

这款收集器是HotSpot虚拟机中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同时工作，它的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的进展工夫

进展工夫越短（低提早）就越适宜与用户交互的程序，良好的响应速度能晋升用户体验

目前很大一部分的Java利用集中在互联网站或者B/S零碎的服务端上，这类利用尤其器重服务的响应速度，心愿零碎进展工夫最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就十分合乎这类利用的需要

CMS的垃圾收集算法采纳标记-革除算法，并且也会”Stop-the-World”

可怜的是CMS作为老年代的收集器，却无奈与JDK1.4.0中曾经存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工作（因为实现的框架不一样，没方法兼容应用），所以在JDK1.5中应用CMS来收集老年代的时候，新生代只能抉择ParNew或者Serial收集器中的一个

在G1呈现之前，CMS应用还是十分宽泛的。始终到明天，依然有很多零碎应用CMS GC

CMS 工作原理（过程）

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CMS整个过程比之前的收集器要简单整个过程分为4个次要阶段：

即初始标记阶段(波及STW)、并发标记阶段、从新标记阶段(波及STW)和并发革除阶段

初始标记（Initial-Mark）阶段：

在这个阶段中，程序中所有的工作线程都将会因为“Stop-the-World”机制而呈现短暂的暂停，这个阶段的次要工作仅仅只是标记出GC Roots能间接关联到的对象

一旦标记实现之后就会复原之前被暂停的所有利用线程。因为间接关联对象比拟小，所以速度十分快

并发标记（Concurrent-Mark）阶段：

从GC Roots的间接关联对象开始遍历整个对象图的过程，这个过程耗时较长然而不须要进展用户线程，能够与垃圾收集线程一起并发运行

从新标记（Remark）阶段：

因为在并发标记阶段中，程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或者穿插运行，修改并发标记期间，因用户程序持续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录

这个阶段的进展工夫通常会比初始标记阶段稍长一些，并且也会导致“Stop-the-World”的产生，但也远比并发标记阶段的工夫短

并发革除（Concurrent-Sweep）阶段：

此阶段清理删除掉标记阶段判断的曾经死亡的对象，开释内存空间。因为不须要挪动存活对象，所以这个阶段也是能够与用户线程同时并发的

只管CMS收集器采纳的是并发回收（非独占式），然而在其初始化标记和再次标记这两个阶段中依然须要执行“Stop-the-World”机制暂停程序中的工作线程，不过暂停工夫并不会太长。

因而能够阐明目前所有的垃圾收集器都做不到齐全不须要“Stop-the-World”，只是尽可能地缩短暂停工夫，因为最消耗工夫的并发标记与并发革除阶段都不须要暂停工作，所以整体的回收是低进展的

另外因为在垃圾收集阶段用户线程没有中断，所以在CMS回收过程中还应该确保应用程序用户线程有足够的内存可用因而CMS收集器不能像其余收集器那样等到老年代简直齐全被填满了再进行收集。

而是当堆内存使用率达到某一阈值时，便开始进行回收，以确保应用程序在CMS工作过程中仍然有足够的空间反对利用程序运行

要是CMS运行期间预留的内存无奈满足程序须要，就会呈现一次"Concurrent Mode Failure" 失败，这时虚拟机将启动后备预案：长期启用Serial old收集器来从新进行老年代的垃圾收集，这样进展工夫就很长了

留神：CMS收集器的垃圾收集算法采纳的是标记革除算法，这意味着每次执行完内存回收后，因为被执行内存回收的无用对象所占用的内存空间极有可能是不间断的一些内存块。

不可避免地将会产生一些内存碎片。那么CMS在为新对象分配内存空间时，将无奈应用指针碰撞（Bump the Pointer）技术，而只可能抉择闲暇列表（Free List）执行内存调配

那么为什么 CMS 不采纳标记-压缩算法呢？

因为当并发革除的时候，用Compact整顿内存的话原来的用户线程应用的内存还怎么用呢？要保障用户线程能继续执行，前提的它运行的资源不受影响嘛。

Mark Compact更适宜“stop the world”这种场景下应用

CMS 的长处 与 弊病

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长处：

并发收集、低提早

弊病：

会产生内存碎片：导致并发革除后，用户线程可用的空间有余。在无奈调配大对象的状况下，不得不提前触发Full GC

CMS收集器对CPU资源十分敏感 ：在并发阶段，它尽管不会导致用户进展，然而会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量会升高

CMS收集器无奈解决浮动垃圾 ：即在并发标记阶段如果产生新的垃圾对象，CMS将无奈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，可能呈现"Concurrent Mode Failure"失败而导致另一次Full GC的产生

CMS 参数配置

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-XX:+UseConcMarkSweepGC：

手动指定应用CMS收集器执行内存回收工作，开启该参数后会主动将-XX:+UseParNewGC关上。即：ParNew（Young区）+CMS（Old区）+Serial Old（Old区备选计划）的组合

-XX:CMSInitiatingOccupanyFraction：：

设置堆内存使用率的阈值，一旦达到该阈值，便开始进行回收。JDK5及以前版本的默认值为68，即当老年代的空间使用率达到68%时，会执行一次CMS回收。JDK6及以上版本默认值为92%

如果内存增长迟缓，则能够设置一个稍大的值，大的阀值能够无效升高CMS的触发频率，缩小老年代回收的次数能够较为显著地改善应用程序性能

反之如果应用程序内存使用率增长很快，则应该升高这个阈值，以防止频繁触发老年代串行收集器。因而通过该选项便能够无效升高Full GC的执行次数

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：：

用于指定在执行完Full GC后对内存空间进行压缩整顿，以此防止内存碎片的产生。不过因为内存压缩整顿过程无奈并发执行，所带来的问题就是进展工夫变得更长了

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：：

设置在执行多少次Full GC后对内存空间进行压缩整顿

-XX:ParallelCMSThreads：：

用于设置CMS的线程数量，CMS默认启动的线程数是 (ParallelGCThreads + 3) / 4，ParallelGCThreads是年老代并行收集器的线程数，能够当做是 CPU 最大反对的线程数。当CPU资源比拟缓和时，受到CMS收集器线程的影响，应用程序的性能在垃圾回收阶段可能会十分蹩脚

那么Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC这三个GC有什么不同呢？
  • 如果你想要最小化地应用内存和并行开销，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的中断或进展工夫，请选CMS GC

JDK 后续版本中 CMS 的变动

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JDK9新个性：CMS被标记为Deprecate了（JEP291）

如果对JDK9及以上版本的HotSpot虚拟机应用参数-XX:+UseConcMarkSweepGC来开启CMS收集器的话，用户会收到一个正告信息，提醒CMS将来将会被废除

JDK14新个性：删除CMS垃圾回收器（JEP363）移除了CMS垃圾收集器

如果在JDK14中应用XX:+UseConcMarkSweepGC的话，JVM不会报错，只是给出一个warning信息，然而不会exit。JVM会主动回退以默认GC形式启动JVM

七、G1回收器：区域化分代式

后面咱们提到了几个GC，那么为什么为什么还要公布 Garbage First（G1）GC？

起因就在于应用程序所应答的业务越来越宏大、简单，用户越来越多，没有GC就不能保障应用程序失常进行，而常常造成STW的GC又跟不上理论的需要，所以才会一直地尝试对GC进行优化

G1（Garbage-First）垃圾回收器是在Java7 update4之后引入的一个新的垃圾回收器，是当今收集器技术倒退的最前沿成绩之一

与此同时，为了适应当初不断扩大的内存和一直减少的处理器数量，进一步升高暂停工夫（pause time），同时兼顾良好的吞吐量。官网给G1设定的指标是在提早可控的状况下取得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与冀望

为什么名字叫Garbage First(G1)呢？

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因为G1是一个并行回收器，它把堆内存宰割为很多不相干的区域（Region）（物理上不间断的）。应用不同的Region来示意Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等

G1 GC有打算地防止在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集，G1跟踪各个Region外面的垃圾沉积的价值大小（回收所取得的空间大小以及回收所需工夫的经验值），在后盾保护一个优先列表，每次依据容许的收集工夫，优先回收价值最大的Region

因为这种形式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间（Region），所以取：垃圾优先（Garbage First）

G1的区域分代化

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G1（Garbage-First）是一款面向服务端利用的垃圾收集器，次要针对装备多核CPU及大容量内存的机器，以极高概率满足GC进展工夫的同时，还兼具高吞吐量的性能特色

在JDK1.7版本正式启用，移除了Experimental的标识，是JDK9当前的默认垃圾回收器，取代了CMS回收器以及Parallel+Parallel Old组合。被Oracle官网称为“全功能的垃圾收集器”

与此同时，CMS曾经在JDK9中被标记为废除（deprecated）。

G1在JDK8中还不是默认的垃圾回收器，须要应用-XX:+UseG1GC参数来启用

G1垃圾回收器的特点（劣势）

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与其余GC收集器相比，G1应用了全新的分区算法，其特点如下所示：

并行与并发兼备

并行性：G1在回收期间，能够有多个GC线程同时工作，无效利用多核计算能力。此时用户线程STW

并发性：G1领有与应用程序交替执行的能力，局部工作能够和应用程序同时执行，因而一般来说，不会在整个回收阶段产生齐全阻塞应用程序的状况

分代收集

从分代上看G1仍然属于分代型垃圾回收器，它会辨别年老代和老年代，年老代仍然有Eden区和Survivor区。但从堆的构造上看，它不要求整个Eden区、年老代或者老年代都是间断的，也不再保持固定大小和固定数量，简而言之就是如下图所示

而将堆空间分为若干个区域（Region），这些区域中蕴含了逻辑上的年老代和老年代

与各类回收器不同G1它同时兼顾年老代和老年代

空间整合

CMS回收器是：“标记-革除”算法、内存碎片、若干次GC后进行一次碎片整顿

G1回收器是：将内存划分为一个个的region。内存的回收是以region作为根本单位的。

Region之间是复制算法，但整体上理论可看作是标记-压缩（Mark-Compact）算法，两种算法都能够防止内存碎片。这种个性有利于程序长时间运行，调配大对象时不会因为无奈找到间断内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆十分大的时候，G1的劣势更加显著

可预测的进展工夫模型（即：软实时soft real-time）

这是G1绝对于CMS的另一大劣势，G1除了谋求低进展外，还能建设可预测的进展工夫模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的工夫片段内，耗费在垃圾收集上的工夫不得超过N毫秒

因为分区的起因，G1能够只选取局部区域进行内存回收，这样放大了回收的范畴因而对于全局进展状况的产生也能失去较好的管制。

并且G1跟踪各个Region外面的垃圾沉积的价值大小（回收所取得的空间大小以及回收所需工夫的经验值），在后盾保护一个优先列表，每次依据容许的收集工夫，优先回收价值最大的Region。保障了G1收集器在无限的工夫内能够获取尽可能高的收集效率

相比于CMS GC，G1未必能做到CMS在最好状况下的延时进展，然而最差状况要好很多

G1 回收器的毛病

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相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性劣势。比方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定执行负载（overload）都要比CMS要高

从教训上来说，在小内存利用上CMS的体现大概率会优于G1，而G1在大内存利用上则施展其劣势。平衡点在6-8GB之间

常见 G1 参数设置

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-XX:+UseG1GC：

手动指定应用G1垃圾收集器执行内存回收工作

-XX:G1HeapRegionSize：

设置每个Region的大小。值是2的幂，范畴是1MB到32MB之间，指标是依据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000

-XX:MaxGCPauseMillis：

设置冀望达到的最大GC进展工夫指标，JVM会尽力实现，但不保障达到。默认值是200ms

-XX:+ParallelGCThread：

设置STW时GC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

G 1 收集器的常见操作步骤

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G1的设计准则就是简化JVM性能调优，开发人员只须要简略的三步即可实现调优：

  • 第一步：开启G1垃圾收集器
  • 第二步：设置堆的最大内存
  • 第三步：设置最大的进展工夫

G1中提供了三种垃圾回收模式：YoungGC、Mixed GC和Full GC，在不同的条件下被触发。

G 1 的实用场景

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面向服务端利用，针对具备大内存、多处理器的机器。（在一般大小的堆里体现并不惊喜）

最次要的利用是须要低GC提早，并具备大堆的应用程序提供解决方案

如：在堆大小约6GB或更大时，可预测的暂停工夫能够低于0.5秒；（G1通过每次只清理一部分而不是全副的Region的增量式清理来保障每次GC进展工夫不会过长）

在上面的状况时，应用G1可能比CMS好：

  • 超过50%的Java堆被流动数据占用；
  • 对象调配频率或年代晋升频率变化很大；
  • GC进展工夫过长（长于0.5至1秒）

HotSpot垃圾收集器里，其余的垃圾收集器均应用内置的JVM线程执行GC的多线程操作，而G1 GC能够采纳利用线程承当后盾运行的GC工作，即当JVM的GC线程处理速度慢时，零碎会调用应用程序线程帮忙减速垃圾回收过程

分区 Region：化整为零

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应用G1收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小雷同的独立Region块.

每个Region块大小依据堆空间的理论大小而定，整体被管制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB，2MB，4MB，8MB，16MB，32MB。能够通过

能够应用XX:G1HeapRegionSize设定。所有的Region大小雷同，且在JVM生命周期内不会被扭转

尽管还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不须要间断）的汇合。通过Region的动态分配形式实现逻辑上的间断

接下来咱们对场景进行一个简略的介绍，请看如下图

一个Region有可能属于Eden，Survivor或者Old/Tenured内存区域。然而一个Region只可能属于一个角色。图中的E示意该Region属于Eden内存区域，S示意属于Survivor内存区域，O示意属于Old内存区域。图中空白的示意未应用的内存空间

G1垃圾收集器还减少了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如图中的H块。这区域旨在包容规范区域大小的50％或更大的对象。，它们存储为一组间断区域。最初一种区域类型是堆的未应用区域

那么为什么要设置H区域呢？

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对于堆中的大对象，默认间接会被调配到老年代，然而如果它是一个短期存在的大对象就会对垃圾收集器造成负面影响。

为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门寄存大对象。如果一个H区装不下一个大对象，那么G1会寻找间断的H区来存储。

为了能找到间断的H区有时候不得不启动Full GC。G1的大多数行为都把H区作为老年代的一部分来对待

Regio的细节

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每个Region都是通过指针碰撞来调配空间

G1为每一个Region设计了两个名为TAMS（Top at Mark Start）的指针把Region中的一部分空间划分进去用于并发回收过程中的新对象调配，并发回收时新调配的对象地址都必须要在这两个指针地位以上

TLAB还是用来保障并发性

G1 垃圾回收流程

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G1 GC的垃圾回收过程次要包含如下三个环节：

  • 年老代GC（Young GC）
  • 老年代并发标记过程（Concurrent Marking）
  • 混合回收（Mixed GC）
有可能呈现第四个环节：

如果须要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是持续存在的。它针对GC的评估失败提供了一种失败爱护机制，即强力回收

顺时针：Young GC –> Young GC+Concurrent Marking –> Mixed GC程序，进行垃圾回收

G1 垃圾回收器器回收流程

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应用程序分配内存，当年老代的Eden区用尽时开始年老代回收过程

G1的年老代收集阶段是一个并行的独占式收集器，在年老代回收期G1 GC暂停所有应用程序线程，启动多线程执行年老代回收。

而后从年老代区间挪动存活对象到Survivor区间或者老年区间，也有可能是两个区间都会波及

当堆内存应用达到肯定值（默认45%）时，开始老年代并发标记过程

标记实现马上开始混合回收过程，对于一个混合回收期。

G1 GC从老年区间挪动存活对象到闲暇区间，这些闲暇区间也就成为了老年代的一部分。

和年老代不同，老年代的G1回收器和其余GC不同，G1的老年代回收器不须要整个老年代被回收，一次只须要扫描/回收一小部分老年代的Region就能够了。同时这个老年代Region是和年老代一起被回收的

举个例子：一个Web服务器，Java过程最大堆内存为4G，每分钟响应1500个申请，每45秒钟会新调配大概2G的内存。G1会每45秒钟进行一次年老代回收，每31个小时整个堆的使用率会达到45%，会开始老年代并发标记过程，标记实现后开始四到五次的混合回收

G1 垃圾回收器器回收流程：Remembered Set（记忆集）

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咱们说一个对象会被不同区域（年老区、老年区）援用的问题，当咱们判断是否可达的时候，须要各遍历一遍年老区与老年区，是否援用了这个对象。

所以咱们接下来介绍一下：Remembered Set（记忆集）

咱们说一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其余任意Region中对象援用，判断对象存活时，那么咱们是否须要扫描整个Java堆能力保障精确？

其实在其余的分代收集器，也存在这样的问题（而G1更突出，因为G1次要针对大堆）

若咱们回收新生代也不得不同时扫描老年代？这样的话会升高Minor GC的效率

所以咱们有以下的形式解决这个问题

  • 无论G1还是其余分代收集器，JVM都是应用Remembered Set来防止全堆扫描
  • 每个Region都有一个对应的Remembered Set
  • 每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier临时中断操作

这时查看将要写入的援用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region(其余收集器：查看老年代对象是否援用了新生代对象)

若不同通过CardTable把相干援用信息记录到援用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中

当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范畴退出Remembered Set

这时咱们就能够保障不进行全局扫描，也不会有脱漏，也不须要扫描整个Java堆能力保障精确了

G1回收过程一：年老代 GC

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JVM启动时G1先筹备好Eden区，程序在运行过程中一直创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年老代垃圾回收过程（年老代回收只回收Eden区和Survivor区）

YGC时首先G1进行应用程序的执行（Stop-The-World），G1创立回收集（Collection Set），回收集是指须要被回收的内存分段的汇合，年老代回收过程的回收集蕴含年老代Eden区和Survivor区所有的内存分段

这时请看咱们回收前的图与回收后的图

咱们将回收前的E区和S区，回收后将残余存活的对象会复制到新的S区（达到阈值能够晋升为O区）

第一阶段：扫描根

根是指static变量指向的对象，正在执行的办法调用链条上的局部变量等，根援用连同RSet记录的内部援用作为扫描存活对象的入口

第二阶段：更新RSet

解决dirty card queue中的card更新RSet。此阶段实现后，RSet能够精确的反映老年代对所在的内存分段中对象的援用。

那么对于dirty card queue 咱们有以下的阐明

对于应用程序的援用赋值语句object feldl = objedt, jVM会在代码执行之前和之后进行非凡的操作指在dity card queue中入队一个保留了对象援用信息的card

在年老代回收的时候, G1会对Dirty Card Queue中所有的card进行解决，以更新RSet，保障RSet实时精确的反映正确的援用关系

那为什么不在援用赋值语句处间接更新RSet呢?这是为了性能的须要，RSet的解决须要线程同步，开销会很大，应用队列性能会好很多。

第三阶段：解决RSet

辨认被老年代对象指向的Eden中的对象，这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象

第四阶段：复制对象

此阶段：对象树被遍历，Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段，Survivor区内存段中存活的对象

如果年龄未达阈值，年龄会加1，达到阀值会被会被复制到Old区中空的内存分段

如果Survivor空间不够，Eden空间的局部数据会间接降职到老年代空间

第五阶段：解决援用

解决Soft，Weak，Phantom，Final，JNI Weak 等援用。最终Eden空间的数据为空，GC进行工作，而指标内存中的对象都是间断存储的，没有碎片，所以复制过程能够达到内存整理的成果，缩小碎片

G1回收过程二：并发标记过程

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第一阶段：初始标记阶段

标记从根节点间接可达的对象。这个阶段是STW的，并且会触发一次年老代GC。正是因为该阶段时STW的，所以咱们只扫描根节点可达的对象，以节省时间

第二阶段：根区域扫描（Root Region Scanning）

G1 GC扫描Survivor区间接可达的老年代区域对象，并标记被援用的对象。这一过程必须在Young GC之前实现，因为Young GC会应用复制算法对Survivor区进行GC

第三阶段：并发标记（Concurrent Marking）

在整个堆中进行并发标记（和应用程序并发执行），此过程可能被Young GC中断

在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立刻回收

同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性（区域中存活对象的比例占多少）

第四阶段：再次标记（Remark）

因为应用程序继续进行，须要修改上一次的标记后果，这时是STW的。G1中采纳了比CMS更快的原始快照算法：Snapshot-At-The-Beginning（SATB）

第五阶段：独占清理（cleanup，STW）

计算各个区域的存活对象和GC回收比例，并进行排序，辨认能够混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是STW的。（这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集）

第六阶段：并发清理阶段

辨认并清理齐全闲暇的区域

G1回收过程三：混合回收过程

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当越来越多的对象降职到老年代Old Region时，为了防止堆内存被耗尽，虚构机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC。

该算法并不是一个Old GC，除了回收整个Young Region，还会回收一部分的Old Region

这里须要留神：是一部分老年代，而不是全副老年代。能够抉择哪些Old Region进行收集，从而能够对垃圾回收的耗时工夫进行管制。也要留神的是Mixed GC并不是Full GC

并发标记完结当前老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，局部为垃圾的内存分段被计算了进去。

默认状况下这些老年代的内存分段会分8次（能够通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置）被回收。【意思就是一个Region会被分为8个内存段】

混合回收的回收集（Collection Set）包含八分之一的老年代内存分段，Eden区内存分段，Survivor区内存分段。

混合回收的算法和年老代回收的算法齐全一样，只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程请参考下面的年老代回收过程

因为老年代中的内存分段默认分8次回收，G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收

并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收。XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent，默认为65%

意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会破费更多的工夫

混合回收也并不一定要进行8次。有一个阈值-XX:G1HeapWastePercent，默认值为10%，意思是容许整个堆内存中有10%的空间被节约，意味着如果发现能够回收的垃圾占堆内存的比例低于10%，则不再进行混合回收。因为GC会破费很多的工夫然而回收到的内存却很少

G1 回收可选的过程四：Full GC

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G1的初衷就是要防止Full GC的呈现，然而如果上述形式不能失常工作，G1会进行应用程序的执行（Stop-The-World），应用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会十分差，应用程序进展工夫会很长

要防止Full GC的产生，一旦产生Full GC，须要对JVM参数进行调整。什么时候会产生Ful1GC呢？

比方堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到Full GC，这种状况能够通过增大内存解决

导致G1 Full GC的起因可能有两个：

  • EVacuation的时候没有足够的to-space来寄存降职的对象
  • 并发处理过程实现之前空间耗尽

G1补充

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从Oracle官网走漏进去的信息可获知，回收阶段（Evacuation）其实本也有想过设计成与用户程序一起并发执行，但这件事件做起来比较复杂，思考到G1只是回一部分Region，进展工夫是用户可管制的，所以并不迫切去实现。

而抉择把这个个性放到了G1之后呈现的低提早垃圾收集器（即ZGC）中，另外还思考到G1不是仅仅面向低提早，进展用户线程可能最大幅度提高垃圾收集效率，为了保障吞吐量所以才抉择了齐全暂停用户线程的实现计划

G1 回收器的优化倡议

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年老代大小：

防止应用-Xmn或-XX:NewRatio等相干选项显式设置年老代大小，因为固定年老代的大小会笼罩可预测的暂停工夫指标。咱们让G1本人去调整

暂停工夫指标不要太过严苛:

G1 GC的吞吐量指标是90%的应用程序工夫和10%的垃圾回收工夫

评估G1 GC的吞吐量时，暂停工夫指标不要太严苛。

指标太过严苛示意你违心接受更多的垃圾回收开销，而这些会间接影响到吞吐量

八、垃圾回收器总结

7 种垃圾回收器的比拟

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截止JDK1.8，一共有7款不同的垃圾收集器。每一款的垃圾收集器都有不同的特点

在具体应用的时候，须要依据具体的状况选用不同的垃圾收集器

怎么抉择垃圾回收器

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Java垃圾收集器的配置对于JVM优化来说是一个很重要的抉择，抉择适合的垃圾收集器能够让JVM的性能有一个很大的晋升。怎么抉择垃圾收集器？

  1. 优先调整堆的大小让JVM自适应实现。
  2. 如果内存小于100M，应用串行收集器
  3. 如果是单核、单机程序，并且没有进展工夫的要求，串行收集器
  4. 如果是多CPU、须要高吞吐量、容许进展工夫超过1秒，抉择并行或者JVM本人抉择
  5. 如果是多CPU、谋求低进展工夫，需疾速响应（比方提早不能超过1秒，如互联网利用），应用并发收集器
  6. 官网举荐G1，性能高。当初互联网的我的项目，根本都是应用G1。

最初须要明确一个观点：

  1. 没有最好的收集器，更没有万能的收集算法
  2. 调优永远是针对特定场景、特定需要，不存在一劳永逸的收集器

九、GC日志剖析

罕用参数配置

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通过浏览GC日志，咱们能够理解Java虚拟机内存调配与回收策略。

内存调配与垃圾回收的参数列表

  1. -XX:+PrintGC ：输入GC日志。相似：-verbose:gc
  2. -XX:+PrintGCDetails ：输入GC的具体日志
  3. -XX:+PrintGCTimestamps ：输入GC的工夫戳（以基准工夫的模式）
  4. -XX:+PrintGCDatestamps ：输入GC的工夫戳（以日期的模式，如2013-05-04T21: 53: 59.234 +0800）
  5. -XX:+PrintHeapAtGC ：在进行GC的前后打印出堆的信息
  6. -Xloggc:…/logs/gc.log ：日志文件的输入门路

接下来咱们应用示例代码进行演示一下参数看看

public class GCLogTest {    public static void main( string[ ] args) {        ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();        for (int i - o; i < 5oo; i++) {            byte[] arr = new byte[ 1024 * 100];//100KB            lilst.add(arr);        }    }}

比如说咱们先应用：-XX:+PrintGCDetails参数看看打印出什么日志信息

此时咱们运行程序，看看具体是什么信息进去呢？

那么这些信息参数是什么意思呢？咱们先进行参数的解说看看具体有哪些？

咱们也能够再应用：XX:+PrintGC 参数看看打印出什么日志信息

此时咱们运行程序，看看具体是什么信息进去呢？

咱们也能够再应用：-XX:+PrintGCTimestamps ： 参数看看打印出什么日志信息

此时咱们运行程序，看看具体是什么信息进去呢？

咱们也能够再应用：-XX:+PrintGCDateStamps ： 参数看看打印出什么日志信息

此时咱们运行程序，看看具体是什么信息进去呢？

GC 日志补充阐明

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“[GC”和”[Full GC”阐明了这次垃圾收集的进展类型，如果有”Full”则阐明GC产生了”Stop The World”

应用Serial收集器在新生代的名字是Default New Generation，因而显示的是”[DefNew”

应用ParNew收集器在新生代的名字会变成”[ParNew”，意思是”Parallel New Generation”

应用Parallel scavenge收集器在新生代的名字是”[PSYoungGen”

老年代的收集和新生代情理一样，名字也是收集器决定的

应用G1收集器的话，会显示为”garbage-first heap”

数据参数的示例阐明：

Allocation Failure表明本次引起GC的起因是因为在年老代中没有足够的空间可能存储新的数据了。

[ PSYoungGen: 5986K->696K(8704K) ] 5986K->704K (9216K)

  • 中括号内：GC回收前年老代大小，回收后大小，（年老代总大小）
  • 括号外：GC回收前年老代和老年代大小，回收后大小，（年老代和老年代总大小）

在应用-XX:+PrintGCTimestamps、-XX:+PrintGCDateStamps 参数打印信息能够这些信息

  • user代表用户态回收耗时
  • sys内核态回收耗时
  • real理论耗时

因为多核线程切换的起因，工夫总和可能会超过real工夫

针对于Young GC、Full GC 的阐明示意图

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接下来咱们应用示例代码来领会不同版本下的堆空间会产生什么？

public class GCLogTest1 {        private static final int _1MB = 1024 * 1024;    public static void testAllocation() {        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;        allocation1 = new byte[2 * _1MB];        allocation2 = new byte[2 * _1MB];        allocation3 = new byte[2 * _1MB];        allocation4 = new byte[4 * _1MB];    }    public static void main(String[] agrs) {        testAllocation();    }}

接下来咱们进行参数的设置：-verbose:gc -Xms20M（堆空间初始大小） -Xmx20M（堆空间最大大小） -Xmn10M（新生代大小） -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8（新生代伊甸园区大小为8MB，两个Server区各位1MB） -XX:+UseSerialGC（应用SerialGc）

接下来咱们演示一下JDk 7当中的状况是如何的呢？

此时咱们运行程序，看看具体是什么信息进去呢？

此时会有小伙伴问，咱们应用SerialGc时为什么是total = 9216 呢？

而对于咱们的老年代总大小10240k与6144k又是什么状况呢？

此时咱们看看这参数的分配情况到底是什么意思呢？是个怎么回事呢？

接下来咱们演示一下JDk 8当中的状况是如何的呢？

此时咱们运行程序，看看具体是什么信息进去呢？

与 JDK7 不同的是，JDK8 间接断定 4M 的数组为大对象，间接怼到老年区去了

十、罕用日志剖析工具

咱们能够应用命令参数：-XLoggc:./logs/gc.log，寄存输入的地位（./ 示意当前目录），在 IDEA中程序运行的当前目录是工程的根目录，而不是模块的根目录

咱们这里应用的logs文件，须要在我的项目创立目录文件

咱们应用下面示例代码进行应用看看

这时咱们将程序运行起来，就能够看见对应的log文件信息了

对于这些日志文件咱们举荐用一些工具去剖析这些GC日志，罕用的日志剖析工具有：

GCViewer、GCEasy、GCHisto、GCLogViewer、Hpjmeter、garbagecat等

　GCeasy　（网址：gceasy.io）

　GCViewer

参考资料

尚硅谷：JVM虚拟机（宋红康老师）