GC演算法 垃圾收集器

概述

垃圾收集 Garbage Collection 通常被稱為“GC”，它誕生於1960年 MIT 的 Lisp 語言，經過半個多世紀，目前已經十分成熟了。

jvm 中，程式計數器、虛擬機器棧、本地方法棧都是隨執行緒而生隨執行緒而滅，棧幀隨著方法的進入和退出做入棧和出棧操作，實現了自動的記憶體清理，因此，我們的記憶體垃圾回收主要集中於 java 堆和方法區中，在程式執行期間，這部分記憶體的分配和使用都是動態的.

物件存活判斷

判斷物件是否存活一般有兩種方式：

引用計數：每個物件有一個引用計數屬性，新增一個引用時計數加1，引用釋放時計數減1，計數為0時可以回收。此方法簡單，

無法解決物件相互迴圈引用的問題。

可達性分析（Reachability Analysis）：從GC Roots開始向下搜尋，搜尋所走過的路徑稱為引用鏈。當一個物件到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，則證明此物件是不可用的。不可達物件。

在Java語言中，GC Roots包括：

  虛擬機器棧中引用的物件。

  方法區中類靜態屬性實體引用的物件。

  方法區中常量引用的物件。

  本地方法棧中JNI引用的物件。

垃圾收集演算法

標記 -清除演算法

   “標記-清除”（Mark-Sweep）演算法，如它的名字一樣，演算法分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記出所有需要回收的物件，在標記完成後統一回收掉所有被標記的物件。之所以說它是最基礎的收集演算法，是因為後續的收集演算法都是基於這種思路並對其缺點進行改進而得到的。

它的主要缺點有兩個：一個是效率問題，標記和清除過程的效率都不高；另外一個是空間問題，標記清除之後會產生大量不連續的記憶體碎片，空間碎片太多可能會導致，當程式在以後的執行過程中需要分配較大物件時無法找到足夠的連續記憶體而不得不提前觸發另一次垃圾收集動作。

複製演算法

“複製”（Copying）的收集演算法，它將可用記憶體按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊的記憶體用完了，就將還存活著的物件複製到另外一塊上面，然後再把已使用過的記憶體空間一次清理掉。

這樣使得每次都是對其中的一塊進行記憶體回收，記憶體分配時也就不用考慮記憶體碎片等複雜情況，只要移動堆頂指標，按順序分配記憶體即可，實現簡單，執行高效。只是這種演算法的代價是將記憶體縮小為原來的一半，持續複製長生存期的物件則導致效率降低。

標記-壓縮演算法

複製收集演算法在物件存活率較高時就要執行較多的複製操作，效率將會變低。更關鍵的是，如果不想浪費50%的空間，就需要有額外的空間進行分配擔保，以應對被使用的記憶體中所有物件都100%存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用這種演算法。

根據老年代的特點，有人提出了另外一種“標記-整理”（Mark-Compact）演算法，標記過程仍然與“標記-清除”演算法一樣，但後續步驟不是直接對可回收物件進行清理，而是讓所有存活的物件都向一端移動，然後直接清理掉端邊界以外的記憶體

分代收集演算法

GC分代的基本假設：絕大部分物件的生命週期都非常短暫，存活時間短。

“分代收集”（Generational Collection）演算法，把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據各個年代的特點採用最適當的收集演算法。在新生代中，每次垃圾收集時都發現有大批物件死去，只有少量存活，那就選用複製演算法，只需要付出少量存活物件的複製成本就可以完成收集。而老年代中因為物件存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就必須使用“標記-清理”或“標記-整理”演算法來進行回收。

垃圾收集器

如果說收集演算法是記憶體回收的方法論，垃圾收集器就是記憶體回收的具體實現

Serial收集器

序列收集器是最古老，最穩定以及效率高的收集器，可能會產生較長的停頓，只使用一個執行緒去回收。新生代、老年代使用序列回收；新生代複製演算法、老年代標記-壓縮；垃圾收集的過程中會Stop The World（服務暫停）

引數控制：-XX:+UseSerialGC序列收集器

ParNew收集器

ParNew收集器其實就是Serial收集器的多執行緒版本。新生代並行，老年代序列；新生代複製演算法、老年代標記-壓縮

引數控制：-XX:+UseParNewGCParNew收集器

-XX:ParallelGCThreads 限制執行緒數量

Parallel收集器

Parallel Scavenge收集器類似ParNew收集器，Parallel收集器更關注系統的吞吐量。可以通過引數來開啟自適應調節策略，虛擬機器會根據當前系統的執行情況收集效能監控資訊，動態調整這些引數以提供最合適的停頓時間或最大的吞吐量；也可以通過引數控制GC的時間不大於多少毫秒或者比例；新生代複製演算法、老年代標記-壓縮

引數控制：-XX:+UseParallelGC  使用Parallel收集器+ 老年代序列

Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多執行緒和“標記－整理”演算法。這個收集器是在JDK 1.6中才開始提供

引數控制： -XX:+UseParallelOldGC 使用Parallel收集器+ 老年代並行

CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。目前很大一部分的Java應用都集中在網際網路站或B/S系統的服務端上，這類應用尤其重視服務的響應速度，希望系統停頓時間最短，以給使用者帶來較好的體驗。

從名字（包含“Mark Sweep”）上就可以看出CMS收集器是基於“標記-清除”演算法實現的，它的運作過程相對於前面幾種收集器來說要更復雜一些，整個過程分為4個步驟，包括：

初始標記（CMS initial mark）

併發標記（CMS concurrent mark）

重新標記（CMS remark）

併發清除（CMS concurrent sweep）

其中初始標記、重新標記這兩個步驟仍然需要“Stop The World”。初始標記僅僅只是標記一下GC Roots能直接關聯到的物件，速度很快，併發標記階段就是進行GC Roots Tracing的過程，而重新標記階段則是為了修正併發標記期間，因使用者程式繼續運作而導致標記產生變動的那一部分物件的標記記錄，這個階段的停頓時間一般會比初始標記階段稍長一些，但遠比並發標記的時間短。       由於整個過程中耗時最長的併發標記和併發清除過程中，收集器執行緒都可以與使用者執行緒一起工作，所以總體上來說，CMS收集器的記憶體回收過程是與使用者執行緒一起併發地執行。老年代收集器（新生代使用ParNew）

優點:併發收集、低停頓

缺點：產生大量空間碎片、併發階段會降低吞吐量

引數控制：-XX:+UseConcMarkSweepGC  使用CMS收集器

-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection FullGC後，進行一次碎片整理；整理過程是獨佔的，會引起停頓時間變長

-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction  設定進行幾次Full GC後，進行一次碎片整理

-XX:ParallelCMSThreads 設定CMS的執行緒數量（一般情況約等於可用CPU數量）

G1收集器

G1是目前技術發展的最前沿成果之一，HotSpot開發團隊賦予它的使命是未來可以替換掉JDK1.5中釋出的CMS收集器。與CMS收集器相比G1收集器有以下特點：

1. 空間整合，G1收集器採用標記整理演算法，不會產生記憶體空間碎片。分配大物件時不會因為無法找到連續空間而提前觸發下一次GC。

2. 可預測停頓，這是G1的另一大優勢，降低停頓時間是G1和CMS的共同關注點，但G1除了追求低停頓外，還能建立可預測的停頓時間模型，能讓使用者明確指定在一個長度為N毫秒的時間片段內，消耗在垃圾收集上的時間不得超過N毫秒，這幾乎已經是實時Java（RTSJ）的垃圾收集器的特徵了。

上面提到的垃圾收集器，收集的範圍都是整個新生代或者老年代，而G1不再是這樣。使用G1收集器時，Java堆的記憶體佈局與其他收集器有很大差別，它將整個Java堆劃分為多個大小相等的獨立區域（Region），雖然還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閡了，它們都是一部分（可以不連續）Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew類似，當新生代佔用達到一定比例的時候，開始出發收集。和CMS類似，G1收集器收集老年代物件會有短暫停頓。

收集步驟：

1、標記階段，首先初始標記(Initial-Mark),這個階段是停頓的(Stop the World Event)，並且會觸發一次普通Mintor GC。對應GC log:GC pause (young) (inital-mark)

2、Root Region Scanning，程式執行過程中會回收survivor區(存活到老年代)，這一過程必須在young GC之前完成。

3、Concurrent Marking，在整個堆中進行併發標記(和應用程式併發執行)，此過程可能被young GC中斷。在併發標記階段，若發現區域物件中的所有物件都是垃圾，那個這個區域會被立即回收(圖中打X)。同時，併發標記過程中，會計算每個區域的物件活性(區域中存活物件的比例)。

4、Remark, 再標記，會有短暫停頓(STW)。再標記階段是用來收集 併發標記階段 產生新的垃圾(併發階段和應用程式一同執行)；G1中採用了比CMS更快的初始快照演算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

5、Copy/Clean up，多執行緒清除失活物件，會有STW。G1將回收區域的存活物件拷貝到新區域，清除Remember Sets，併發清空回收區域並把它返回到空閒區域連結串列中。

6、複製/清除過程後。回收區域的活性物件已經被集中回收到深藍色和深綠色區域。

常用的收集器組合

新生代GC策略	年老代GC策略	說明
組合1	Serial	Serial Old	Serial和Serial Old都是單執行緒進行GC，特點就是GC時暫停所有應用執行緒。
組合2	Serial	CMS+Serial Old	CMS（Concurrent Mark Sweep）是併發GC，實現GC執行緒和應用執行緒併發工作，不需要暫停所有應用執行緒。另外，當CMS進行GC失敗時，會自動使用Serial Old策略進行GC。
組合3	ParNew	CMS	使用-XX:+UseParNewGC選項來開啟。ParNew是Serial的並行版本，可以指定GC執行緒數，預設GC執行緒數為CPU的數量。可以使用-XX:ParallelGCThreads選項指定GC的執行緒數。 如果指定了選項-XX:+UseConcMarkSweepGC選項，則新生代預設使用ParNew GC策略。
組合4	ParNew	Serial Old	使用-XX:+UseParNewGC選項來開啟。新生代使用ParNew GC策略，年老代預設使用Serial Old GC策略。
組合5	Parallel Scavenge	Serial Old	Parallel Scavenge策略主要是關注一個可控的吞吐量：應用程式執行時間 / (應用程式執行時間 + GC時間)，可見這會使得CPU的利用率儘可能的高，適用於後臺持久執行的應用程式，而不適用於互動較多的應用程式。
組合6	Parallel Scavenge	Parallel Old	Parallel Old是Serial Old的並行版本
組合7	G1GC	G1GC	-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC        #開啟 -XX:MaxGCPauseMillis =50                  #暫停時間目標 -XX:GCPauseIntervalMillis =200          #暫停間隔目標 -XX:+G1YoungGenSize=512m            #年輕代大小 -XX:SurvivorRatio=6                            #倖存區比例

參考

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