垃圾回收器总结、G1回收器详解

导论

7个经典收集器与垃圾分代之间的关系图

垃圾收集器的组合关系最新图（jdk14之前），（虚线是jdk8不包括jdk8之前的关系，实线是jdk8之后的关系）

Serial回收器:串行回收

• Serial收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代唯一的选择。
• Serial收集器作为HotSpot中Client模式下的默认新生代垃圾收集器。
• Serial 收集器采用复制算法、串行回收和"Stop-the-World"机制的方式执行内存回收。
• 除了年轻代之外，Serial收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial 0ld收集器。 Serial old收集器同样也采用了串行回收和"Stop the World"机制， 只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算法。
  ➢Serial old是运行在Client模式下默认的老年代的垃圾回收器
  ➢Serial old在Server模式下主要有两个用途：① 与新生代的Parallel Scavenge配合使用 ② 作为老年代CMS收集器的后备垃圾收集方案。

这个收集器是一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并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(Stop The World).。

优势：简单而高效(与其他收集器的单线程比)，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。
总结：这种垃圾收集器了解，现在已经不用串行的了。而且在限定单核cpu才可以用。现在都不是单核的了。对于交互较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能接受的。一般在Java web应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的。

ParNew回收器:并行回收

• 如果说Serial GC是年轻代中的单线程垃圾收集器，那么ParNew收集器则是Serial收集器的多线程版本。
  ➢ Par是Parallel的缩写，New: 只能处理的是新生代

• ParNew收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、"Stop-the-World"机制。

• ParNew是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。
  

• 对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。

• 对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。(CPU并行 需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源)

• 由于ParNew收集器是基于并行回收，那么是否可以断定ParNew收集器的回收效率在任何场景下都会比serial收集器更高效?
  ➢ ParNew收集器运行在多CPU的环境下，由于可以充分利用多CPU、多核心等物理硬件资源优势，可以便快速地完成垃圾收集，提升程序的吞吐量。
  ➢ 但是在单个CPU的环境下，ParNew收 集器不比serial收集器更高效。虽然Serial收集器是基于串行回收，但是由于CPU不需要频繁地做任务切换，因此可以有效避免多线程交互过程中产生的一些额外开销。

• 因为除Serial外，目前只有ParNew GC能与CMS收集器配合工作

Parallel Scavenge回收器:吞吐量优先

• Hotspot的年轻代中除了拥有ParNew收集器是基于并行回收的以外，Parallel Scavenge收集器同样也采用了复制算法、并行回收和"stop the world"机制。
• 那么Paralle1收集器的出现是否多此一举?
  ➢ 和ParNew收集器不同，Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量(Throughput) ，它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
  ➢ 自适应调节策略也是Parallel Scavenge 与ParNew一个重要区别。
• 高吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。因此，常见在服务器环境中使用。例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序。
• Parallel收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallel 0ld收集器，用来代替老年代的Serial 0ld收集器。
• Parallel 0ld收集器采用了标记-压缩算法，但同样也是基于并行回收和”stop-the-World"机制。
  
• 在程序吞吐量优先的应用场景中， Parallel收集器和Parallel old收集器的组合，在Server模式下的内存回收性能很不错。
• 在Java8中， 默认是此垃圾收集器。

CMS回收器:低延迟

• 在JDK 1.5时期，HotSpot 推出了一款在强交互应用中几乎可认为有划时代意义的垃圾收集器: CMS (Concurrent-Mark- Sweep)收集器，这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义 上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作。
• CMS收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时
  间越短(低延迟)就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户
  体验。
  ➢目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者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收集器就非常符合这类应用的需求。
• CMS的垃圾收集算法采用标记-清除算法，并且也会"Stop-the-world"

不幸的是，CMS作为老年代的收集器，却无法与JDK 1.4.0中已经存在的新生代收集器Parallel Scavenge 配合工作，所以在JDK 1. 5中使用CMS来收集老年代的时候，新生代只能选择ParNew或者Serial收集器中的一个。
在G1出现之前，CMS使用还是非常广泛的。一直到今天，仍然有很多系统使用CMS GC。

CMS整个过程比之前的收集器要复杂,整个过程分为4个主要阶段，即初始标记阶段、并发标记阶段、重新标记阶段和并发清除阶段。

• 初始标记(Initial-Mark) 阶段:在这个阶段中，程序中所有的工作线程都将会因为“Stop-the-World"机制而出现短暂的暂停，这个阶段的主要任务仅仅只是标记出GCRoots能直接关联到的对象。一标记完成之后就会恢复之前被暂停的所有应用线程。由于直接关联对象比较小，所以这里的速度非常快。
• 并发标记(Concurrent -Mark)阶段:从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发运行。
• 重新标记(Remark) 阶段:由于在并发标记阶段中，程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或者交叉运行，因此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通常会比初始标记阶段稍长一-些，但也远比并发标记阶段的时间短。
• 并发清除(Concurrent-Sweep) 阶段:此阶段清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，释放内存空间。由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的.。

尽管CMS收集器采用的是并发回收(非独占式)，但是在其初始化标记和再次标记这两个阶段中仍然需要执行“Stop-the -World机制暂停程序中的工作线程，不过暂停时间并不会太长，因此可以说明目前所有的垃圾收集器都做不到完全不需要“Stop-the-World”，只是尽可能地缩短暂停时间。

由于最耗费时间的并发标记与并发清除阶段都不需要暂停工作，所以整体的回收是低停顿的。

另外，由于在垃圾收集阶段用户线程没有中断，所以在CMS回收过程中，还应该确保应用程序用户线程有足够的内存可用。因此，CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，而是当堆内存使用率达到某一阈值时， 便开始进行回收，以确保应用程序在CMS工作过程中依然有足够的空间支持应用程序运行。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure'失败，这时虚拟机将启动后备预案:临时启用Serial 0ld收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。
CMS收集器的垃圾收集算法采用的是标记-清除算法，这意味着每次执行完内存回收后，由于被执行内存回收的无用对象所占用的内存空间极有可能是不连续的一些内存块，不可避免地将会产生一些内存碎片。那么CMS在为新对象分配内存空间时，将无法使用指针碰撞(Bump the Pointer) 技术，而只能够选择空闲列表(Free List) 执行内存分配。

• CMS的优点:
  ➢并发收集
  ➢低延迟
• CMS的弊端:

1. 会产生内存碎片，导致并发清除后，用户线程可用的空间不足。在无法分配大对象的情况下，不得不提前触发Full GC。
2. CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户停顿，但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。
3. CMS收集器无法处理浮动垃圾。可能出现“Concurrent Mode Fa ilure"失败而导致另一次Full GC的产生。在并发标记阶段由于程序的工作线程和垃圾收集线程是同时运行或者交叉运行的，那么在并发标记阶段如果产生新的垃圾对象，CMS将无法对这些垃圾对象进行标记，最终会导致这些新产生的垃圾对象没有被及时回收，从而只能在下一次执行GC时释放这些之前未被回收的内存空间。

小结:
HotSpot有这么多的垃圾回收器，那么如果有人问，Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC这三个GC有什么不同呢?

如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选Serial GC;
如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel GC;
如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS GC。

G1回收器:区域化分代式

既然我们已经有了前面几个强大的GC，为什么还要发布Garbage First (G1)
GC?
原因就在于应用程序所应对的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序正常进行，而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。G1 (Garbage-First)垃圾回收器是在Java7 update 4之后引入的一个新的垃圾回收器，是当今收集器技术发展的最前沿成果之一。
与此同时，为了适应现在不断扩大的内存和不断增加的处理器数量，进一步降低暂停时间(pause time)，同时兼顾良好的吞吐量。
官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担 当起“全功能收集器”的重任与期望。

为什么名字叫做Garbage First (G1) 呢?

• 因为G1是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域(Region) (物理上不连续的)。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等。
• G1 GC有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。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.
• 由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间(Region) ，所以我们给G1一个名字:垃圾优先(Garbage First)

G1 (Garbage-First) 是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间的同时，还兼具高吞吐量的性能特征。
在JDK1.7版本正式启用，移除了Experimental的标识，是JDK 9以后的默认垃圾回收器，取代了CMS回收器以及Parallel + Parallel 0ld组合。被Oracle官方称为“全功能的垃圾收集器”
与此同时，CMS已经在JDK 9中被标记为废弃(deprecated)。在jdk8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用-XX: +UseG1GC来启用。

特点

• 并行与并发
  ➢ 并行性: G1在回收期间，可以有多个Gc线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程sTW
  ➢ 并发性: G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况
• 分代收集
  ➢ 从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。
  ➢ 将堆空间分为若干个区域(Region) ,这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
  ➢ 和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代
• 可预测的停顿时间模型(即:软实时soft real-time)
  这是G1相对于CMS的另一大优势，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亳秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。
  ➢ 由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
  ➢ 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，保证了G1 收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
  ➢ 相比于CMS GC, G1未必能做到cMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。
• 空间整合
  ➢ CMS:“标记-清除”算法、内存碎片、若干次GC后进行- -次碎片整理
  ➢ G1将内存划分为-一个个的region。内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩(Mark-Compact )算法，两种算法都可以避免内存碎片。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。尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中,G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用(Footprint)还是程序运行时的额外执行负载(Overload) 都要比CMS要高。
从经验.上来说，在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在6- 8GB之间。

使用场景

• 面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。(在普通大小的堆里表现并不惊喜)
• 最主要的应用是需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案;
• 如:在堆大小约6GB或更大时，可预测的暂停时间可以低于0.5秒; ( G1通过每次只清理一部分而不是全部的Region的增量式清理来保证每次GC停顿时间不会过长)。
• 用来替换掉JDK1.5中的CMS收集器；在下面的情况时，使用G1可能比CMS好:①超过50%的Java堆被活动数据占用;；②对象分配频率或年代提升频率变化很大；③GC停顿时间过长(长于0. 5至1秒)。
• HotSpot 垃圾收集器里，除了G1以外，其他的垃圾收集器使用内置的JVM线程执行GC的多线程操作，而61 GC可以采用应用线程承担后台运行的GC工作，即当JVM的GC线程处理速度慢时，系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。

分区Region:化整为零

使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂， 即1MB, 2MB, 4MB, 8MB, 16MB, 32MB。可以通过-XX:G1HeapRegionSize设定。所有的Region大小相同，且 在JVM生命周期内不会被改变。
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。通过Region的动态分配方式实现逻辑.上的连续。

设置H的原因：对于堆中的大对象，默认直接会被分配到老年代，但是如果它是一个短期存在的大对象,就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放大对象。如果一个H区装不下一个大对象，那么G1会寻找连续的H区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。G1的大多数行为都把H区作为老年代的一部分来看待。

Remembered Set

• 一个对象被不同区域引用的问题
• 一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确?
• 在其他的分代收集器，也存在这样的问题(而G1更突出)
• 回收新生代也不得不同时扫描老年代?
• 这样的话会降低Minor GC的效率;

解决方法
➢ 无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描:
➢ 每个Region 都有一个对应的Remembered Set;
➢ 每次Reference类 型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier暂 时中断操作;
➢ 然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region(其他收集器:检查老年代对象是否引用了新生代对象) ;
➢如果不同，通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中;
➢当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set; 就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。

回收过程

G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节:

• 年轻代GC (Young GC)
• 老年代并发标记过程(Concurrent Marking)
• 混合回收(Mixed GC)
• (如果需要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是继续存在的。它针对GC的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。)
  

应用程序分配内存，当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程; G1的年轻代收集阶段是一个并行的独占式收集器。在年轻代回收期，G1 GC暂停所有应用程序线程，启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间，也有可能是两个区间都会涉及。

当堆内存使用达到一定值(默认45%)时，开始老年代并发标记过程。

标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期，G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同，老年代的G1回收器和其他Gc不同，G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了。同时，这个老年代Region是和年轻代一起 被回收的。

举个例子：一个Web服务器，Java进程最大堆内存为4G，每分钟响应1500个请求，每45秒钟会新分配大约2G的内存。G1 会每45秒钟进行一次年轻代回收，每31 个小时整个堆的使用率会达到45号，会开始老年代并发标记过程，标记完成后开始四到五次的混合回收。

G1回收过程一:年轻代GC

JVM启动时，G1先准备好Eden区，程序在运行过程中不断创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动- -次年轻代垃圾回收过程。

YGC时，首先G1停止应用程序的执行(Stop-The-World) ，G1创建回收集(Collection Set) ，回收集是指需要被回收的内存分段的集合，年轻代回收过程的回收集包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。

第一阶段，扫描根。
根是指static变量指向的对象，正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。
第二阶段，更新RSet.
处理dirty card queue( 见备注)中的card，更新RSet。此阶段完成后，RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。
第三阶段，处理RSet.
识别被老年代对象指向的Eden中的对象，这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。
第四阶段，复制对象。
此阶段，对象树被遍历，Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值，年龄会加1，达到阀值会被会被复制到01d区中空的内存分段。如果Survivor空间不够，Eden空 间的部分数据会直接晋升到老年代空间。
第五阶段，处理引用。
处理Soft，Weak，Phantom， Final, JNI Weak 等引用。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，而目标内存中的对象都是连续存储的，没有碎片，所以复制过程可以达到内存整理的效果，减少碎片。礼工工河办小学的社

G1回收过程二:并发标记过程

1. 初始标记阶段:标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW的并且会触发一次
   年轻代GC。
2. 根区域扫描(Root Region Scanning) : G1 GC扫描Survivor区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。这一过程必须在young GC之前完成。
3. 并发标记(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,那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(域中存活对象的比例)。
4. 再次标记(Remark):由 于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果。是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法: snapshot-at-the-beginning (SATB)。
5. 独占清理(cleanup ,STW):计算各个区域的存活对象和GC回收比例，并进行排序，识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是STW的。
   ➢这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集
6. 并发清理阶段:识别并清理完全空闲的区域。

G1回收过程三:混合回收

当越来越多的对象晋升到老年代oldregion时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器即Mixed GC， 该算法并不是一个oldGC，除了回收整个Young Region,还会回收一部分的0ld Region。 这里需要注意:是一部分老年代，而不是全部老年代。可以选择哪些0ldRegion进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC并不是Full GC。

• 并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下，这些老年代的内存分段会分8次(可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置)被回收。
• 混合回收的回收集( Collection Set)包括八分之一的老年代内存分段，Eden区内存分段，Survivor区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全-一样，只回集多了老年代的内存分段。具体过程请参考上面的年轻代回收过程。
• 由于老年代中的内存分段默认分8次回收，G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收，-Xx: G1Mi xedGCLiveThresholdPercent,默认为65%，意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会花费更多的时间。
• 混合回收并不一定要进行8次。有一个阈值-XX: G1HeapWastePercent，默认值为10%，意思是允许整个堆内存中有10%的空间被浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%，则不再进行混合回收。因为GC会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。.

G1回收可选的过程四: Full GC

G1的初衷就是要避免Full GC的出现。但是如果上述方式不能正常工作，G1会停止应用程序的执行(Stop-The -World)，使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。

要避免Full GC的发生，一旦发生需要进行调整。什么时候会发生Full GC呢?比如堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到full gc， 这种情况可以通过增大内存解决。

导致G1Full GC的原因可能有两个：1. Evacuation的时候没有足够的to-space来存放晋升的对象；2. 并发处理过程完成之前空间耗尽。

总结

截止JDK 1.8，一共有7款不同的垃圾收集器。每一.款不同的垃圾收集器都有不同的特点，在具体使用的时候，需要根据具体的情况选用不同的垃圾收集器。