深入理解Java虚拟机》垃圾收集器

垃圾收集器

HotSpot虚拟机包含的所有收集器如下图所示。展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，就说明它们可以搭配使用。

新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge，新生代收集器均采用复制算法。

老年代收集器：Serial Old（标记-整理算法）、Parallel Old（标记-整理算法）、CMS（标记-清除算法）。

不分代的收集器：G1（整体来看基于标记-整理和局部来看基于复制算法）。

HotSpot虚拟机的垃圾收集器

一、Serial收集器

Serial收集器是一个单线程的收集器，它的“单线程”的意义不仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。这个过程常被称为“Stop The World”。

实际上到现在为止，它依然是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。它也有着优于其他收集器的地方：简单而高效（与其他收集器的单线程相比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。

Serial/Serial Old收集器运行示意图

二、ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为，包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等，都与Serial收集器完全一样。在实现上，这两种收集器也共用了相当多的代码。ParNew收集器的工作过程如图3-7所示。

它是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器。一个与性能无关但很重要的原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作。

ParNew/Serial Old收集器运行示意图

三、Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，同时还是并行的多线程收集器。看上去和ParNew非常相似，但它的特别之处在于关注点不同。CMS等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。所谓吞吐量，就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间 + 垃圾收集时间）。如果虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。

四、Serial Old收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法。这个收集器的主要意义在于给Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式下，它主要有两大用途：在JDK 1.5及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，以及作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。这两点将在后面的内容中详细讲解。Serial Old收集器的工作过程如下图所示。

Serial/Serial Old收集器运行示意图

五、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。直到Parallel Old收集器出现后，“吞吐量优先”收集器终于有了比较名副其实的应用组合，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。Parallel Old收集器的工作过程如图3-9所示。

Parallel Scavenge/Parallel Old收集器运行示意图

六、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。它在垃圾收集时使得用户线程和GC线程并发执行，因此在GC过程中用户不会感受到明显卡顿。但用户线程和GC线程之间不停地切换会有额外的开销，因此垃圾回收总时间会被延长。CMS收集器是基于“标记—清除”算法实现的。

1. 运行过程

它的运作过程相对于前面几种收集器来说更复杂，整个过程分为4个步骤，包括：

1. 1. 初始标记（CMS initial mark）
2. 2. 并发标记（CMS concurrent mark）
3. 3. 重新标记（CMS remark）
4. 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”。初始标记仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快；并发标记阶段是进行GC Roots Tracing的过程；重新标记阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录。这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短。

由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。通过图可以比较清楚地看到CMS收集器的运作步骤中并发和需要停顿的时间。

Concurrent Mark Sweep收集器运行示意图

2. CMS的缺点

CMS有以下3个明显的缺点：

1. 1. 对CPU资源非常敏感：当CPU不足4个（譬如2个）时，CMS对用户程序的影响就可能变得很大。如果本来CPU负载就比较大，还分出一半的运算能力去执行收集器线程，可能导致用户程序的执行速度突然降低50%，这是难以接受的。
2. 2. 无法处理浮动垃圾：由于垃圾清除过程中用户线程和GC线程并发执行，也就是用户线程仍在执行，那么在执行过程中会产生垃圾，这些垃圾称为“浮动垃圾”。
3. 3. 会产生大量碎片空间：CMS是一款基于“标记—清除”算法实现的收集器，收集结束时会有大量空间碎片产生。
4. 4. 吞吐量低：由于CMS在垃圾收集过程中使用用户线程和GC线程并行执行，线程切换会有额外开销，因此CPU吞吐量不如在GC过程中停止一切用户线程的方式高。

七、G1收集器

1. G1收集器概述

G1（Garbage-First）收集器，追求停顿时间、多线程GC、面向服务端应用。整体来看基于标记-整理和局部来看基于复制算法。

它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然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（不需要连续）的集合。

G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也是Garbage-First名称的由来）。

2. G1的特点

1. 1. 并行与并发：G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者CPU核心）来缩短Stop-The-World停顿的时间。部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续执行。
2. 2. 分代收集：与其他收集器一样，分代概念在G1中依然得以保留。虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。
3. 3. 空间整合：与CMS的“标记—清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记—整理”算法实现的收集器，从局部（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的，但无论如何，这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。
4. 4. 可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点，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M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。

3. G1收集器的运行过程

G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤

1. 1. 初始标记（Initial Marking）
2. 2. 并发标记（Concurrent Marking）
3. 3. 最终标记（Final Marking）
4. 4. 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）