Java垃圾收集器

2018-12-07

GC的分类

GC的主要回收区域就是年轻代(young gen)、老年代(tenured gen)、持久区（perm gen）,在jdk8之后，perm gen消失，被替换成了元空间（Metaspace）,元空间会在普通的堆区进行分配。垃圾收集为了提高效率，采用分代收集的方式，对于不同特点的回收区域使用不同的垃圾收集器。系统正常运行情况young是比较频繁的，full gc会触发整个heap的扫描和回收。在G1垃圾收集器中，最好的优化状态就是通过不断调整分区空间，避免进行full gc，可以大幅提高吞吐量。下面会详细介绍。

串行垃圾回收器

单线程回收，并且会有stop theworld（下文会简称STW），也即GC时，暂停所有用户线程。其运行方式是单线程的，适合Client模式的应用，适合单CPU环境。串行的垃圾收集器有两种，Serial以及SerialOld，一般会搭配使用。新生代使用Serial采取复制算法，老年代使用Serial Old采取标记整理算法。Client应用或者命令行程序可以，通过-XX:+UseSerialGC可以开启上述回收模式。

Serial：用于新生代垃圾收集 (复制算法)

SerialOld：用于老年代垃圾收集 (标记整理算法)

并行垃圾回收器

整体来说，并行垃圾回收相对于串行，是通过多线程运行垃圾收集的。也会stop-the-world。适合Server模式以及多CPU环境。一般会和jdk1.5之后出现的CMS搭配使用。并行的垃圾回收器有以下几种：

ParNew：Serial收集器的多线程版本，默认开启的收集线程数和cpu数量一样，运行数量可以通过修改ParallelGCThreads设定。用于新生代收集，使用-XX:+UseParNewGC,和Serial Old收集器组合进行内存回收。(复制算法)

Parallel Scavenge: 关注吞吐量,吞吐量优先，吞吐量=代码运行时间/(代码运行时间+垃圾收集时间),也就是高效率利用cpu时间，尽快完成程序的运算任务
可以设置最大停顿时间MaxGCPauseMillis以及，吞吐量大小GCTimeRatio。如果设置了-XX:+UseAdaptiveSizePolicy参数，则随着GC,会动态调整新生代的大小，Eden,Survivor比例等，以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量。用于新生代收集。通过-XX:+UseParallelGC参数，Server模式下默认提供了其和SerialOld进行搭配的分代收集方式（复制算法）

Parllel Old：Parallel Scavenge的老年代版本。JDK 1.6开始提供的。在此之前Parallel Scavenge的地位也很尴尬，而有了Parllel Old之后，通过-XX:+UseParallelOldGC参数使用Parallel Scavenge + Parallel Old器组合进行内存回收。

并发标记扫描垃圾回收器(CMS)

CMS（Concurrent Mark Sweep）基于"标记—清除"算法，用于老年代,所以其关注点在于减少“pause time”也即因垃圾回收导致的stop the world时间。对于重视服务的响应速度的应用可以使用CMS。因为CMS是“并发”运行的，也即垃圾收集线程可以和用户线程同时运行。缺点就是会产生内存碎片。 -XX:UseConcMarkSweepGC参数可以开启CMS,年轻代使用ParNew，老年代使用CMS，同时Serial Old收集器将作为CMS收集器出现Concurrent Mode Failure失败后的后备收集器使用。
CMS的回收分为几个阶段：

初始标记：标记一下GC Roots能直接关联到的对象，会“Stop The World”

并发标记：GC Roots Tracing，可以和用户线程并发执行。

重新标记：标记期间产生的对象存活的再次判断，修正对这些对象的标记，执行时间相对并发标记短，会“Stop The World”。

并发清除：清除对象,可以和用户线程并发执行。

G1垃圾收集器

G1垃圾收集器也是以关注延迟为目标、服务器端应用的垃圾收集器，被HotSpot团队寄予取代CMS的使命，也是一个非常具有调优潜力的垃圾收集器。虽然G1也有类似CMS的收集动作：初始标记、并发标记、重新标记、清除、转移回收，并且也以一个串行收集器做担保机制，但单纯地以类似前三种的过程描述显得并不是很妥当。事实上，G1收集与以上三组收集器有很大不同：

G1的设计原则是”首先收集尽可能多的垃圾(Garbage First)”。因此，G1并不会等内存耗尽(串行、并行)或者快耗尽(CMS)的时候开始垃圾收集，而是在内部采用了启发式算法，在老年代找出具有高收集收益的分区进行收集。同时G1可以根据用户设置的暂停时间目标自动调整年轻代和总堆大小，暂停目标越短年轻代空间越小、总空间就越大；

G1采用内存分区(Region)的思路，将内存划分为一个个相等大小的内存分区，回收时则以分区为单位进行回收，存活的对象复制到另一个空闲分区中。由于都是以相等大小的分区为单位进行操作，因此G1天然就是一种压缩方案(局部压缩)；

G1虽然也是分代收集器，但整个内存分区不存在物理上的年轻代与老年代的区别，也不需要完全独立的survivor(to space)堆做复制准备。G1只有逻辑上的分代概念，或者说每个分区都可能随G1的运行在不同代之间前后切换；

G1的收集都是STW的，但年轻代和老年代的收集界限比较模糊，采用了混合(mixed)收集的方式。即每次收集既可能只收集年轻代分区(年轻代收集)，也可能在收集年轻代的同时，包含部分老年代分区(混合收集)，这样即使堆

总结

Serial收集器（复制算法)：新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效。是client级别默认的GC方式，可以通过-XX:+UseSerialGC来强制指定。

Serial Old收集器(标记-整理算法)：老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本。

ParNew收集器(停止-复制算法)：新生代收集器，可以认为是Serial收集器的多线程版本,在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现。

Parallel Scavenge收集器(停止-复制算法)：并行收集器，追求高吞吐量，高效利用CPU。吞吐量一般为99%，吞吐量= 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)。适合后台应用等对交互相应要求不高的场景。是server级别默认采用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC来强制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4来指定线程数。

Parallel Old收集器(停止-复制算法)：Parallel Scavenge收集器的老年代版本，并行收集器，吞吐量优先。

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清理算法）：高并发、低停顿，追求最短GC回收停顿时间，cpu占用比较高，响应时间快，停顿时间短，多核cpu 追求高响应时间的选择。

G1可以根据用户设置的暂停时间目标自动调整年轻代和总堆大小，暂停目标越短年轻代空间越小、总空间就越大;当JVM分配对象到Eden区域失败(Eden区已满)时,触发young gc；年轻代收集不断活动后，老年代的空间也会被逐渐填充。当老年代占用空间超过整堆比IHOP阈值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默认45%)时，G1就会启动一次混合垃圾收集（）周期

知乎看法一：

针对HotSpot VM的实现，它里面的GC其实准确分类只有两大种：
Partial GC：并不收集整个GC堆的模式
	Young GC：只收集young gen的GC
	Old GC：只收集old gen的GC。只有CMS的concurrentcollection是这个模式
	Mixed GC：收集整个young gen以及部分old gen的GC。只有G1有这个模式
Full GC：收集整个堆，包括young gen、old gen、perm gen（如果存在的话）等所有部分的模式。
Major GC通常是跟full GC是等价的，收集整个GC堆。但因为HotSpot VM发展了这么多年，外界对各种名词的解读已经完全混乱了，当有人说“major GC”的时候一定要问清楚他想要指的是上面的full GC还是old GC。

最简单的分代式GC策略，按HotSpot VM的serial GC的实现来看，触发条件是：
young GC：当young gen中的eden区分配满的时候触发。注意young GC中有部分存活对象会晋升到old gen，所以young GC后old gen的占用量通常会有所升高。
full GC：当准备要触发一次young GC时，如果发现统计数据说之前young GC的平均晋升大小比目前old gen剩余的空间大，则不会触发young GC而是转为触发full GC（因为HotSpot VM的GC里，除了CMS的concurrent collection之外，其它能收集old gen的GC都会同时收集整个GC堆，包括young gen，所以不需要事先触发一次单独的young GC）；或者，如果有perm gen的话，要在perm gen分配空间但已经没有足够空间时，也要触发一次full GC；或者System.gc()、heap dump带GC，默认也是触发full GC。

HotSpot VM里其它非并发GC的触发条件复杂一些，不过大致的原理与上面说的其实一样。当然也总有例外。Parallel Scavenge（-XX:+UseParallelGC）框架下，默认是在要触发full GC前先执行一次young GC，并且两次GC之间能让应用程序稍微运行一小下，以期降低full GC的暂停时间（因为young GC会尽量清理了young gen的死对象，减少了full GC的工作量）。控制这个行为的VM参数是-XX:+ScavengeBeforeFullGC。这是HotSpot VM里的奇葩嗯。可跳传送门围观：JVM full GC的奇怪现象，求解惑？ - RednaxelaFX 的回答并发GC的触发条件就不太一样。以CMS GC为例，它主要是定时去检查old gen的使用量，当使用量超过了触发比例就会启动一次CMS GC，对old gen做并发收集。

知乎看法二：

1. Full GC定义是相对明确的，就是针对整个新生代、老生代、元空间（metaspace，java8以上版本取代perm gen）的全局范围的GC；
2. Minor GC和Major GC是俗称，在Hotspot JVM实现的Serial GC, Parallel GC, CMS, G1 GC中大致可以对应到某个Young GC和Old GC算法组合；
3. 最重要是搞明白上述Hotspot JVM实现中几种GC算法组合到底包含了什么。
	3.1 Serial GC算法：Serial Young GC ＋ Serial Old GC （敲黑板！敲黑板！敲黑板！实际上它是全局范围的Full GC）；
	3.2 Parallel GC算法：Parallel Young GC ＋ 非并行的PS MarkSweep GC / 并行的Parallel Old GC（敲黑板！敲黑板！敲黑板！这俩实际上也是全局范围的Full GC），选PS MarkSweep GC 还是 Parallel Old GC 由参数UseParallelOldGC来控制；
	3.3 CMS算法：ParNew（Young）GC + CMS（Old）GC （piggyback on ParNew的结果／老生代存活下来的object只做记录，不做compaction）＋ Full GC for CMS算法（应对核心的CMS GC某些时候的不赶趟，开销很大）；
	3.4 G1 GC：Young GC + mixed GC（新生代，再加上部分老生代）＋ Full GC for G1 GC算法（应对G1 GC算法某些时候的不赶趟，开销很大）；
4. 搞清楚了上面这些组合，我们再来看看各类GC算法的触发条件。简单说，触发条件就是某GC算法对应区域满了，或是预测快满了。比如，
	4.1 各种Young GC的触发原因都是eden区满了；
	4.2 Serial Old GC／PS MarkSweep GC／Parallel Old GC的触发则是在要执行Young GC时候预测其promote的object的总size超过老生代剩余size；
	4.3 CMS GC的initial marking的触发条件是老生代使用比率超过某值；
	4.4 G1 GC的initial marking的触发条件是Heap使用比率超过某值，跟4.3 heuristics 类似；
	4.5 Full GC for CMS算法和Full GC for G1 GC算法的触发原因很明显，就是4.3 和 4.4 的fancy算法不赶趟了，只能全局范围大搞一次GC了（相信我，这很慢！这很慢！这很慢！）；
5 题主说的 “Full GC会先触发一次Minor GC” － 指的应该是
	5.1 PS MarkSweep GC／Parallel Old GC（Full GC）之前会跑一次Parallel Young GC；
原因就是减轻Full GC 的负担。
哇～整个picture 是有点乱，希望我整理的还算清楚

参考文章

垃圾回收器说明：https://blog.csdn.net/lijingyao8206/article/details/80513383

垃圾回收算法说明：https://www.cnblogs.com/1024Community/p/honery.html

知乎大神看法：https://www.zhihu.com/question/41922036/answer/93079526