JVM系列第9講：JVM垃圾回收器
前面文章中，我們介紹了 Java 虛擬機器的記憶體結構，Java 虛擬機器的垃圾回收機制，那麼這篇文章我們說說具體執行垃圾回收的垃圾回收器。
總的來說，Java 虛擬機器的垃圾回收器可以分為四大類別：序列回收器、並行回收器、CMS 回收器、G1 回收器。
序列回收器
序列回收器是指使用單執行緒進行垃圾回收的回收器。因為每次回收時只有一個執行緒，因此序列回收器在併發能力較弱的計算機上，其專注性和獨佔性的特點往往能讓其有更好的效能表現。
序列回收器可以在新生代和老年代使用，根據作用於不同的堆空間，分為新生代序列回收器和老年代序列回收器。
新生代序列回收器
序列收集器是所有垃圾回收器中最古老的一種，也是 JDK 中最基本的垃圾回收器之一。
在新生代序列回收器中使用的是複製演算法。在序列回收器進行垃圾回收時，會觸發 Stop-The-World 現象，即其他執行緒都需要暫停，等待垃圾回收完成。因此在某些情況下，其會造成較為糟糕的使用者體驗。
使用 -XX:+UseSerialGC 引數可以指定使用新生代序列收集器和老年代序列收集器。當虛擬機器在 Client 模式下執行時，其預設使用該垃圾收集器。
老年代序列回收器
在老年代序列回收器中使用的是標記壓縮演算法。其與新生代序列收集器一樣，只能序列、獨佔式地進行垃圾回收，因此也經常會有較長時間的 Stop-The-World 發生。
但老年代序列回收器的好處之一，就是其可以與多種新生代回收器配合使用。若要啟用老年代序列回收器，可以嘗試以下引數：
-XX:UseSerialGC：新生代、老年代都使用序列回收器。-XX:UseParNewGC：新生代使用 ParNew 回收器，老年代使用序列回收器。-XX:UseParallelGC：新生代使用 ParallelGC 回收器，老年代使用序列回收器。
並行回收器
並行回收器在序列回收器的基礎上做了改進，其使用多執行緒進行垃圾回收。對於並行能力強的機器，可以有效縮短垃圾回收所使用的時間。
根據作用記憶體區域的不同，並行回收器也有三個不同的回收器：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，其只是簡單地將序列回收器多執行緒化，其回收策略、演算法以及引數和新生代序列回收器一樣。
新生代 ParNew 回收器同樣使用複製的垃圾回收演算法，其垃圾收集過程中同樣會觸發 Stop-The-World 現象。但因為其使用多執行緒進行垃圾回收，因此在併發能力強的 CPU 上，其產生的停頓時間要短於序列回收器。
但在單 CPU 或並能能力弱的系統中，並行回收器效果會因為執行緒切換的原因，其實際表現反而不如序列回收器。
要開啟新生代 ParNew 回收器，可以使用以下引數：
-XX:+UseParNewGC：新生代使用 ParNew 回收器，老年代使用序列回收器。-XX:UseConcMarkSweepGC：新生代使用 ParNew 回收器，老年代使用 CMS。-XX:ParallelGCThreads：指定 ParNew 回收器的工作執行緒數量。
新生代 Parallel GC 回收器
新生代 Parallel GC 回收器與新生代 ParNew 回收器非常類似，其也是使用複製演算法，都是多執行緒、獨佔式的收集器，也會導致 Stop-The-World。但其餘 ParNew 回收器的一個重大不同是：其非常注重系統的吞吐量。
之所以說新生代 Parallel GC 回收器非常注重系統吞吐量，是因為其有一個自適應 GC 調節策略。我們可以使用 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy 引數開啟這個策略，在這個模式下，新生代的大小、Eden 和 Survivor 的比例、晉升老年代的物件年齡等引數都會被自動調節，已達到堆大小、吞吐量、停頓時間的平衡點。
Parallel GC 回收器提供了兩個重要引數用於控制系統的吞吐量。
-XX:MaxGCPauseMillis：設定最大垃圾收集停頓時間。在 ParallelGC 工作時，其會自動調整響應引數，將停頓時間控制在設定範圍內。為了達到目的，其可能會使用較小的堆，但這會導致 GC 較為頻繁。-XX:GCTimeRatio：設定吞吐量大小，其實一個 0 - 100 的整數。假設 GCTimeRatio 的值為 n，那麼系統將不花費超過 1/(1+n) 的時間用於垃圾手機。比如 GCTimeRatio 值為 19，那麼系統用於垃圾收集的時間不超過 1 /(1+19) = 5%。預設情況下，它的取值是 99，即不超過 1% 的時間用於垃圾收集。
新生代 Parallel GC 回收器可以使用以下引數啟用：
-XX:+UseParallelGC：新生代使用 Parallel 回收器，老年代使用序列回收器。-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 回收器也是一種多執行緒併發的回收器，與新生代 ParallelGC 收集器一樣，其也是注重吞吐量的收集器，只不過其是作用於老年代。
ParallelOldGC 回收器使用的是標記壓縮演算法，只有在 JDK 1.6 中才可以使用。我們可以使用-XX:UseParallelOldGC引數在新生代中使用 ParallelGC 收集器，在老年代中使用 ParallelOldGC 收集器。引數 -XX:ParallelGCThreads也可以用於設定垃圾回收時的執行緒數量。
CMS 回收器
與 ParallelGC 和 ParallelOldGC 不同，CMS 回收器主要關注系統停頓時間。CMS 回收器全稱為 Concurrent Mark Sweep，意為標記清除演算法，其是一個使用多執行緒並行回收的垃圾回收器。
工作步驟
CMS 的主要工作步驟有：初始標記、併發標記、預清理、重新標記、併發清除和併發充值。其中初始標記和重新標記是獨佔系統資源的，而其他階段則可以和使用者執行緒一起執行。
在整個 CMS 回收過程中，預設情況下會有預清理的操作，我們可以關閉開關 -XX:-CMSPrecleaningEnabled 不進行預清理。因為重新標記是獨佔 CPU 的，因此如果新生代 GC 發生之後，立刻出發一次新生代 GC，那麼停頓時間就會很長。為了避免這種情況，預處理時會刻意等待一次新生代 GC 的發生，之後在進行預處理。
主要引數
啟動 CMS 回收器刻意使用引數：-XX:+UseConcMarkSweepGC，執行緒併發數量刻意通過 -XX:ConcGCThreads 或 -XX:ParallelCMSThreads 引數設定。
此外，我們還可以設定 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 來指定老年代空間使用閾值。當老年代空間使用率達到這個閾值時，會執行一次 CMS 回收，而不像其他回收器一樣等到記憶體不夠用的時候才進行 GC。
我們之前說過標記清除演算法的缺點是會產生記憶體碎片，因此 CMS 回收器會產生較多記憶體碎片。我們可以使用 XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 引數讓 CMS 在完成垃圾回收後，進行一次記憶體碎片整理。使用 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 引數設定進行多少次 CMS 回收後，進行一次記憶體壓縮。
此外，如果希望使用 CMS 回收 Perm 區，那麼則可以開啟 -XX:+CMSClassUnloadingEnabled 開關。開啟該開關後，如果條件允許，那麼系統會使用 CMS 的機制回收 Perm 區 Class 資料。
G1 回收器
G1 回收器是 JDK 1.7 中使用的全新垃圾回收器，從長期目標來看，其是為了取代 CMS 回收器。
G1 回收器擁有獨特的垃圾回收策略，和之前所有垃圾回收器採用的垃圾回收策略不同。從分代看，G1 依然屬於分代垃圾回收器。但它最大的改變是使用了分割槽演算法，從而使得 Eden 區、From 區、Survivor 區和老年代等各塊記憶體不必連續。
在 G1 回收器之前，所有的垃圾回收器其記憶體分配都是連續的一塊記憶體，如下圖所示。
而在 G1 回收器中，其將一大塊的記憶體分為許多細小的區塊，從而不要求記憶體是連續的。
從上圖可以看到，每個Region被標記了 E、S、O 和 H，說明每個 Region 在執行時都充當了一種角色。所有標記為 E 的都是 Eden 區的記憶體，它們散落在記憶體的各個角落，並不要求記憶體連續。同理，Survivor 區、老年代（Old）也是如此。
從上圖我們還可以看到 H 是以往演算法中沒有的，它代表 Humongous。這表示這些 Region 儲存的是巨型物件（humongous object，H-obj），當新建物件大小超過 Region 大小一半時，直接在新的一個或多個連續 Region 中分配，並標記為 H。
堆記憶體中一個 Region 的大小可以通過 -XX:G1HeapRegionSize 引數指定，大小區間只能是1M、2M、4M、8M、16M 和 32M，總之是2的冪次方。如果G1HeapRegionSize 為預設值，即把設定的最小堆記憶體按照2048份均分，最後得到一個合理的大小。
工作步驟
G1 收集器的收集過程主要有四個階段：
- 新生代 GC
- 併發標記週期
- 混合收集
- 如果需要，可能進行 FullGC
新生代 GC 與其他垃圾收集器的類似，就是清空 Eden 區，將存活物件移動到 Survivor 區，部分年齡到了就移動到老年代。
併發標記週期則分為：初始標記、根區域掃描、併發標記、重新標記、獨佔清理、併發清理階段。其中初始標記、重新標記、獨佔清理是獨佔式的，會引起停頓。並且初始標記會引發一次新生代 GC。在這個階段，所有將要被回收的區域會被 G1 記錄在一個稱之為 Collection Set 的集合中。
混合回收階段會首先針對 Collection Set 中的記憶體進行回收，因為這些垃圾比例較高。G1 回收器的名字 Garbage First 就是這個意思，垃圾優先處理的意思。在混合回收的時候，也會執行多次新生代 GC 和 混合 GC，從而來進行記憶體的回收。
必要時進行 Full GC。當在回收階段遇到記憶體不足時，G1 會停止垃圾回收並進行一次 Full GC，從而騰出更多空間進行垃圾回收。
相關引數
開啟 G1 收集器，我們可以使用引數：`-XX:+UseG1GC。
設定目標最大停頓時間，可以使用引數：-XX:MaxGCPauseMillis。
設定 GC 工作執行緒數量，可以使用引數：-XX:ParallelGCThreads。
設定堆使用率觸發併發標記週期的執行，可以使用引數：-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent。
總結
從一開始的序列回收器，到後來的並行回收器、CMS回收器，到最後的 G1 回收器，垃圾回收器不斷改進，使得垃圾回收效率不斷提升。特別是分割槽思想誕生後，對於垃圾回收停頓時間的控制更加細膩，可以讓應用有更完美的延時控制，從而呈現更好的使用者體驗。
參考資料
JVM系列目錄
- JVM系列開篇：為什麼要學虛擬機器？
- JVM系列第1講：Java 語言的前世今生
- JVM系列第2講：Java 虛擬機器的歷史
- JVM系列第3講：到底什麼是虛擬機器？
- JVM系列第4講：從原始碼到機器碼，發生了什麼？
- JVM系列第5講：位元組碼檔案結構
- JVM系列第6講：Java 虛擬機器記憶體結構
- JVM系列第7講：JVM 類載入機制
- JVM系列第8講：JVM 垃圾回收機制
- JVM系列第9講：JVM垃圾回收器
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