JVM垃圾回收器详解

说明

针对jdk7

关于垃圾回收

可以查看我之前的博文：
JVM内存管理-垃圾回收与内存分配

垃圾收集器分类

• 按线程数分

可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。串行垃圾回收器一次只使用一个线程进行垃圾回收；并行垃圾回收器一次将开启多个线程同时进行垃圾回收。在并行能力较强的 CPU 上，使用并行垃圾回收器可以缩短 GC 的停顿时间。

• 按照工作模式分

可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间；独占式垃圾回收器 (Stop the world) 一旦运行，就停止应用程序中的其他所有线程，直到垃圾回收过程完全结束

• 按碎片处理方式

可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片；非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。

• 按工作的内存区间

可分为新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器

垃圾收集器的指标

• 吞吐量

指在应用程序的生命周期内，应用程序所花费的时间和系统总运行时间的比值。系统总运行时间=应用程序耗时+GC 耗时。如果系统运行了 100min，GC 耗时 1min，那么系统的吞吐量就是 (100-1)/100=99%。
垃圾回收器负载：和吞吐量相反，垃圾回收器负载指来记回收器耗时与系统运行总时间的比值。

• 停顿时间

指垃圾回收器正在运行时，应用程序的暂停时间。对于独占回收器而言，停顿时间可能会比较长。使用并发的回收器时，由于垃圾回收器和应用程序交替运行，程序的停顿时间会变短，但是，由于其效率很可能不如独占垃圾回收器，故系统的吞吐量可能会较低。

• 垃圾回收频率

指垃圾回收器多长时间会运行一次。一般来说，对于固定的应用而言，垃圾回收器的频率应该是越低越好。通常增大堆空间可以有效降低垃圾回收发生的频率，但是可能会增加回收产生的停顿时间。

• 反应时间

指当一个对象被称为垃圾后多长时间内，它所占据的内存空间会被释放。

• 堆分配

不同的垃圾回收器对堆内存的分配方式可能是不同的。一个良好的垃圾收集器应该有一个合理的堆内存区间划分。

垃圾收集器介绍

新生代串行收集器

串行收集器主要有两个特点：第一，它仅仅使用单线程进行垃圾回收；第二，它独占式的垃圾回收。

在串行收集器进行垃圾回收时，Java 应用程序中的线程都需要暂停，等待垃圾回收的完成，这样给用户体验造成较差效果。虽然如此，串行收集器却是一个成熟、经过长时间生产环境考验的极为高效的收集器。新生代串行处理器使用复制算法，实现相对简单，逻辑处理特别高效，且没有线程切换的开销。在诸如单 CPU 处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合，它的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。在 HotSpot 虚拟机中，使用-XX：+UseSerialGC 参数可以指定使用新生代串行收集器和老年代串行收集器。当 JVM 在 Client 模式下运行时，它是默认的垃圾收集器。

老年代串行收集器

老年代串行收集器使用的是标记-压缩算法。和新生代串行收集器一样，它也是一个串行的、独占式的垃圾回收器。由于老年代垃圾回收通常会使用比新生代垃圾回收更长的时间，因此，在堆空间较大的应用程序中，一旦老年代串行收集器启动，应用程序很可能会因此停顿几秒甚至更长时间。虽然如此，老年代串行回收器可以和多种新生代回收器配合使用，同时它也可以作为 CMS 回收器的备用回收器。若要启用老年代串行回收器，可以尝试使用以下参数：-XX:+UseSerialGC: 新生代、老年代都使用串行回收器。

如果使用-XX:+UseParNewGC 参数设置，表示新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器

如果使用-XX:+UseParallelGC 参数设置，表示新生代和老年代均使用并行回收收集器

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并行收集器

并行收集器是工作在新生代的垃圾收集器，它只简单地将串行回收器多线程化。它的回收策略、算法以及参数和串行回收器一样。

并行回收器也是独占式的回收器，在收集过程中，应用程序会全部暂停。但由于并行回收器使用多线程进行垃圾回收，因此，在并发能力比较强的 CPU 上，它产生的停顿时间要短于串行回收器，而在单 CPU 或者并发能力较弱的系统中，并行回收器的效果不会比串行回收器好，由于多线程的压力，它的实际表现很可能比串行回收器差。

开启并行回收器可以使用参数-XX:+UseParNewGC，该参数设置新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器。

设置参数-XX:+UseConcMarkSweepGC 可以要求新生代使用并行收集器，老年代使用 CMS。

并行收集器工作时的线程数量可以使用-XX:ParallelGCThreads 参数指定。一般，最好与 CPU 数量相当，避免过多的线程数影响垃圾收集性能

新生代并行回收 (Parallel Scavenge) 收集器

新生代并行回收收集器也是使用复制算法的收集器。从表面上看，它和并行收集器一样都是多线程、独占式的收集器。但是，并行回收收集器有一个重要的特点：它非常关注系统的吞吐量。

新生代并行回收收集器可以使用以下参数启用：

-XX:+UseParallelGC:新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行收集器。

-XX:+UseParallelOldGC:新生代和老年代都是用并行回收收集器。

新生代并行回收收集器可以使用以下参数启用：

-XX:+MaxGCPauseMills:设置最大垃圾收集停顿时间，它的值是一个大于 0 的整数。收集器在工作时会调整 Java 堆大小或者其他一些参数，尽可能地把停顿时间控制在 MaxGCPauseMills 以内。如果希望减少停顿时间，而把这个值设置得很小，为了达到预期的停顿时间，JVM 可能会使用一个较小的堆 (一个小堆比一个大堆回收快)，而这将导致垃圾回收变得很频繁，从而增加了垃圾回收总时间，降低了吞吐量。

-XX:+GCTimeRatio：设置吞吐量大小，它的值是一个 0-100 之间的整数。假设 GCTimeRatio 的值为 n，那么系统将花费不超过 1/(1+n) 的时间用于垃圾收集。比如 GCTimeRatio 等于 19，则系统用于垃圾收集的时间不超过 1/(1+19)=5%。默认情况下，它的取值是 99，即不超过 1%的时间用于垃圾收集。

除此之外，并行回收收集器与并行收集器另一个不同之处在于，它支持一种自适应的 GC 调节策略，使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy 可以打开自适应 GC 策略。在这种模式下，新生代的大小、eden 和 survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整，以达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。在手工调优比较困难的场合，可以直接使用这种自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量 (GCTimeRatio) 和停顿时间 (MaxGCPauseMills)，让虚拟机自己完成调优工作

老年代并行回收收集器

老年代的并行回收收集器也是一种多线程并发的收集器。和新生代并行回收收集器一样，它也是一种关注吞吐量的收集器。老年代并行回收收集器使用标记-压缩算法，JDK1.6 之后开始启用。

使用-XX:+UseParallelOldGC 可以在新生代和老生代都使用并行回收收集器，这是一对非常关注吞吐量的垃圾收集器组合，在对吞吐量敏感的系统中，可以考虑使用。参数-XX:ParallelGCThreads 也可以用于设置垃圾回收时的线程数量。

CMS 收集器

与并行回收收集器不同，CMS 收集器主要关注于系统停顿时间。CMS 是 Concurrent Mark Sweep 的缩写，意为并发标记清除，从名称上可以得知，它使用的是标记-清除算法，同时它又是一个使用多线程并发回收的垃圾收集器。

CMS 工作时，主要步骤有：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除和并发重置。其中初始标记和重新标记是独占系统资源的，而并发标记、并发清除和并发重置是可以和用户线程一起执行的。因此，从整体上来说，CMS 收集不是独占式的，它可以在应用程序运行过程中进行垃圾回收。

根据标记-清除算法，初始标记、并发标记和重新标记都是为了标记出需要回收的对象。并发清理则是在标记完成后，正式回收垃圾对象；并发重置是指在垃圾回收完成后，重新初始化 CMS 数据结构和数据，为下一次垃圾回收做好准备。并发标记、并发清理和并发重置都是可以和应用程序线程一起执行的。

CMS 收集器在其主要的工作阶段虽然没有暴力地彻底暂停应用程序线程，但是由于它和应用程序线程并发执行，相互抢占 CPU，所以在 CMS 执行期内对应用程序吞吐量造成一定影响。CMS 默认启动的线程数是 (ParallelGCThreads+3)/4),ParallelGCThreads 是新生代并行收集器的线程数，也可以通过-XX:ParallelCMSThreads 参数手工设定 CMS 的线程数量。当 CPU 资源比较紧张时，受到 CMS 收集器线程的影响，应用程序的性能在垃圾回收阶段可能会非常糟糕。

由于 CMS 收集器不是独占式的回收器，在 CMS 回收过程中，应用程序仍然在不停地工作。在应用程序工作过程中，又会不断地产生垃圾。这些新生成的垃圾在当前 CMS 回收过程中是无法清除的。同时，因为应用程序没有中断，所以在 CMS 回收过程中，还应该确保应用程序有足够的内存可用。因此，CMS 收集器不会等待堆内存饱和时才进行垃圾回收，而是当前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。

这个回收阈值可以使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 来指定，默认是 68。即当老年代的空间使用率达到 68%时，会执行一次 CMS 回收。如果应用程序的内存使用率增长很快，在 CMS 的执行过程中，已经出现了内存不足的情况，此时，CMS 回收将会失败，JVM 将启动老年代串行收集器进行垃圾回收。如果这样，应用程序将完全中断，直到垃圾收集完成，这时，应用程序的停顿时间可能很长。因此，根据应用程序的特点，可以对-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 进行调优。如果内存增长缓慢，则可以设置一个稍大的值，大的阈值可以有效降低 CMS 的触发频率，减少老年代回收的次数可以较为明显地改善应用程序性能。反之，如果应用程序内存使用率增长很快，则应该降低这个阈值，以避免频繁触发老年代串行收集器。

标记-清除算法将会造成大量内存碎片，离散的可用空间无法分配较大的对象。在这种情况下，即使堆内存仍然有较大的剩余空间，也可能会被迫进行一次垃圾回收，以换取一块可用的连续内存，这种现象对系统性能是相当不利的，为了解决这个问题，CMS 收集器还提供了几个用于内存压缩整理的算法。

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 参数可以使 CMS 在垃圾收集完成后，进行一次内存碎片整理。内存碎片的整理并不是并发进行的。-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 参数可以用于设定进行多少次 CMS 回收后，进行一次内存压缩。

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 设置为 100，同时设置-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 和-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction，日志输出如下：

关于CMS收集器，深入了解阅读下面的博文
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G1 收集器 (Garbage First)

G1 收集器的目标是作为一款服务器的垃圾收集器，因此，它在吞吐量和停顿控制上，预期要优于 CMS 收集器。

与 CMS 收集器相比，G1 收集器是基于标记-压缩算法的。因此，它不会产生空间碎片，也没有必要在收集完成后，进行一次独占式的碎片整理工作。G1 收集器还可以进行非常精确的停顿控制。它可以让开发人员指定当停顿时长为 M 时，垃圾回收时间不超过 N。使用参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions –XX:+UseG1GC 来启用 G1 回收器，设置 G1 回收器的目标停顿时间：-XX:MaxGCPauseMills=20,-XX:GCPauseIntervalMills=200。

关于G1收集器，深入了解阅读下面的博文
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GC 相关参数总结

1. 与串行回收器相关的参数
   -XX:+UseSerialGC:在新生代和老年代使用串行回收器。
   -XX:+SurvivorRatio:设置 eden 区大小和 survivor 区大小的比例。
   -XX:+PretenureSizeThreshold:设置大对象直接进入老年代的阈值。当对象的大小超过这个值时，将直接在老年代分配。
   -XX:MaxTenuringThreshold:设置对象进入老年代的年龄的最大值。每一次 Minor GC 后，对象年龄就加 1。任何大于这个年龄的对象，一定会进入老年代。
2. 与并行 GC 相关的参数
   -XX:+UseParNewGC: 在新生代使用并行收集器。
   -XX:+UseParallelOldGC: 老年代使用并行回收收集器。
   -XX:ParallelGCThreads：设置用于垃圾回收的线程数。通常情况下可以和 CPU 数量相等。但在 CPU 数量比较多的情况下，设置相对较小的数值也是合理的。
   -XX:MaxGCPauseMills：设置最大垃圾收集停顿时间。它的值是一个大于 0 的整数。收集器在工作时，会调整 Java 堆大小或者其他一些参数，尽可能地把停顿时间控制在 MaxGCPauseMills 以内。
   -XX:GCTimeRatio:设置吞吐量大小，它的值是一个 0-100 之间的整数。假设 GCTimeRatio 的值为 n，那么系统将花费不超过 1/(1+n) 的时间用于垃圾收集。
   -XX:+UseAdaptiveSizePolicy:打开自适应 GC 策略。在这种模式下，新生代的大小，eden 和 survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整，以达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。
3. 与 CMS 回收器相关的参数
   -XX:+UseConcMarkSweepGC: 新生代使用并行收集器，老年代使用 CMS+串行收集器。
   -XX:+ParallelCMSThreads: 设定 CMS 的线程数量。
   -XX:+CMSInitiatingOccupancyFraction:设置 CMS 收集器在老年代空间被使用多少后触发，默认为 68%。
   -XX:+UseFullGCsBeforeCompaction:设定进行多少次 CMS 垃圾回收后，进行一次内存压缩。
   -XX:+CMSClassUnloadingEnabled:允许对类元数据进行回收。
   -XX:+CMSParallelRemarkEndable:启用并行重标记。
   -XX:CMSInitatingPermOccupancyFraction:当永久区占用率达到这一百分比后，启动 CMS 回收 (前提是-XX:+CMSClassUnloadingEnabled 激活了)。
   -XX:UseCMSInitatingOccupancyOnly:表示只在到达阈值的时候，才进行 CMS 回收。
   -XX:+CMSIncrementalMode:使用增量模式，比较适合单 CPU。
4. 与 G1 回收器相关的参数
   -XX:+UseG1GC：使用 G1 回收器。
   -XX:+UnlockExperimentalVMOptions:允许使用实验性参数。
   -XX:+MaxGCPauseMills:设置最大垃圾收集停顿时间。
   -XX:+GCPauseIntervalMills:设置停顿间隔时间。
5. 其他参数
   -XX:+DisableExplicitGC: 禁用显示 GC。

（本文完）
参考：
- https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-JVMGarbageCollection/
- https://github.com/pzxwhc/MineKnowContainer/issues/89
- https://github.com/pzxwhc/MineKnowContainer/issues/90
- http://ifeve.com/%E6%B7%B1%E5%85%A5%E7%90%86%E8%A7%A3g1%E5%9E%83%E5%9C%BE%E6%94%B6%E9%9B%86%E5%99%A8/
- http://chenchendefeng.iteye.com/blog/455883
- http://www.jianshu.com/p/50d5c88b272d