JVM网摘笔记

垃圾收集算法

标记-清除算法

“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。之所以说它是最基础的收集算法，是因为后续的收集算法都是基于这种思路并对其缺点进行改进而得到的。

主要缺点有两个：

  • 一个是效率问题，标记和清除过程的效率都不高；

  • 另外一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

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复制算法

“复制”（Copying）算法，将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，持续复制长生存期的对象则导致效率降低。

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标记-压缩算法

“标记-整理”（Mark-Compact）算法，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，然后直接清理掉端边界以外的内存

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分代收集算法

GC分代的基本假设：绝大部分对象的生命周期都非常短暂，存活时间短。

“分代收集”（Generational Collection）算法，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“标记-整理”算法来进行回收。

垃圾收集器

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Serial收集器

串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器，可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收。垃圾收集的过程中会Stop The World（服务暂停）

  • 新生代、老年代使用串行回收；新生代复制算法、老年代标记-压缩

  • 参数控制：-XX:+UseSerialGC 串行收集器

ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。

  • 新生代并行，老年代串行；新生代复制算法、老年代标记-压缩

  • 参数控制：

    • -XX:+UseParNewGC ParNew收集器

    • -XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。可以通过参数来打开自适应调节策略，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量；也可以通过参数控制GC的时间不大于多少毫秒或者比例；

  • 新生代复制算法、老年代标记-压缩

  • 参数控制：-XX:+UseParallelGC 使用Parallel收集器+ 老年代串行

Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记－整理”算法。这个收集器是在JDK 1.6中才开始提供

  • 参数控制：-XX:+UseParallelOldGC 使用Parallel收集器+ 老年代并行

CMS 收集器

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。目前很大一部分的Java应用都集中在互联网站或B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。

CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的，运作过程分为4个步骤，包括：

  1. 初始标记（CMS initial mark）

  2. 并发标记（CMS concurrent mark）

  3. 重新标记（CMS remark）

  4. 并发清除（CMS concurrent sweep）

其中初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。

由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发地执行。老年代收集器（新生代使用ParNew）

  • 优点：并发收集、低停顿

  • 缺点：产生大量空间碎片、并发阶段会降低吞吐量

  • 参数控制：

    • -XX:+UseConcMarkSweepGC 使用CMS收集器

    • -XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后，进行一次碎片整理；整理过程是独占的，会引起停顿时间变长

    • -XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 设置进行几次Full GC后，进行一次碎片整理

    • -XX:ParallelCMSThreads 设定CMS的线程数量（一般情况约等于可用CPU数量）

G1 收集器

与CMS收集器相比G1收集器有以下特点：

  1. 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。

  2. 可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，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N毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

jvm-Concurrent-Marking-min jvm-Copy-min jvm-Clean-up-min

G1的新生代收集跟ParNew类似，当新生代占用达到一定比例的时候，开始出发收集。和CMS类似，G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。收集步骤：

  1. 标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark)，这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)

  2. Root Region Scanning，程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC之前完成。

  3. 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，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。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)。

  4. Remark，再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

  5. Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。

  6. 复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。

常用的收集器组合

组合 新生代GC策略 年老代GC策略 说明
组合1 Serial Serial Old Serial和Serial Old都是单线程进行GC，特点就是GC时暂停所有应用线程。
组合2 Serial CMS+Serial Old CMS是并发GC，实现GC线程和应用线程并发工作，不需要暂停所有应用线程。另外，当CMS进行GC失败时，会自动使用Serial Old策略进行GC。
组合3 ParNew CMS 使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。ParNew是Serial的并行版本，可以指定GC线程数，默认GC线程数为CPU的数量。可以使用-XX:ParallelGCThreads选项指定GC的线程数。如果指定了选项-XX:+UseConcMarkSweepGC选项，则新生代默认使用ParNew GC策略。
组合4 ParNew Serial Old 使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。新生代使用ParNew GC策略，年老代默认使用Serial Old GC策略。
组合5 Parallel Scavenge Serial Old Parallel Scavenge策略主要是关注一个可控的吞吐量：应用程序运行时间 / (应用程序运行时间 + GC时间)，可见这会使得CPU的利用率尽可能的高，适用于后台持久运行的应用程序，而不适用于交互较多的应用程序。
组合6 Parallel Scavenge Parallel Old Parallel Old是Serial Old的并行版本
组合7 G1GC G1GC -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC #开启 -XX:MaxGCPauseMillis =50 #暂停时间目标 -XX:GCPauseIntervalMillis =200 #暂停间隔目标 -XX:+G1YoungGenSize=512m #年轻代大小 -XX:SurvivorRatio=6 #幸存区比例

Java内存模型

Java (JVM) Memory Model

Java-Memory-Model-min-min

Minor GC vs Major GC vs Full GC

minor-gc-major-gc-full-gc-min

  • every Minor GC cleans the Young generation.

  • Major GC is cleaning the Tenured space.

  • Full GC is cleaning the entire Heap – both Young and Tenured spaces.

编译过程

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References