深入理解JVM原理之垃圾回收器

一、前言

垃圾回收算法是内存回收的理论，而垃圾回收器是内存回收的实践。先来看下hotSpot中垃圾收集器的总图：

说明：如果两个收集器之间存在连线说明他们之间可以搭配使用。

HotSpot虚拟机提供了多种垃圾收集器，每种收集器都有各自的特点，没有最好的垃圾收集器，只有最适合的垃圾收集器。我们可以根据自己实际的应用需求选择最适合的垃圾收集器。

二、新生代垃圾收集器

1、Serial 垃圾收集器

2、ParNew 垃圾收集器

ParNew是Serial的多线程版本。

3、Parallel Scavenge 垃圾收集器

Parallel Scavenge和ParNew一样都是多线程、新生代收集器，都使用“复制”算法进行垃圾回收。

但它们有个巨大的不同点：ParNew收集器追求降低用户线程的停顿时间，因此适合交互式应用；而Parallel Scavenge追求CPU吞吐量，能够在较短的时间内完成指定任务，因此适合没有交互的后台计算。

1、什么是“吞吐量”？

吞吐量是指用户线程运行时间占CPU总时间的比例。

CPU总时间包括：用户线程运行时间 和 GC线程运行的时间。

因此，吞吐量越高表示用户线程运行时间越长，从而用户线程能够被快速处理完。

2、降低停顿时间的两种方式

3、Parallel Scavenge提供的参数

3.1、设置“吞吐量”

通过参数-XX:GCTimeRadio设置垃圾回收时间占总CPU时间的百分比。

3.2、设置“停顿时间”

通过参数-XX:MaxGCPauseMillis设置垃圾处理过程最久停顿时间。

Parallel Scavenge会根据这个值的大小确定新生代的大小。如果这个值越小，新生代就会越小，从而收集器就能以较短的时间进行一次回收。但新生代变小后，回收的频率就会提高，因此要合理控制这个值。

3.3、启用自适应调节策略

通过命令-XX:+UseAdaptiveSizePolicy就能开启自适应策略。

我们只要设置好堆的大小和MaxGCPauseMillis或GCTimeRadio，收集器会自动调整新生代的大小、Eden和Survior的比例、对象进入老年代的年龄，以最大程度上接近我们设置的MaxGCPauseMillis或GCTimeRadio。

三、老年代垃圾收集器

1、Serial Old收集器

Serial Old收集器是Serial的老年代版本，它们都是单线程收集器，也就是垃圾收集时只启动一条GC线程，因此都适合客户端应用。

它们唯一的区别就是Serial Old工作在老年代，使用“标记-整理”算法；而Serial工作在新生代，使用“复制”算法。

2、Parallel Old 收集器

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge的老年代版本，一般它们搭配使用，追求CPU吞吐量。

它们在垃圾收集时都是由多条GC线程并行执行，并停止一切用户线程。因此，由于在垃圾清理过程中没有使垃圾收集和用户线程并行执行，因此它们是追求吞吐量的垃圾收集器。

3、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。基于 标记-清除 算法实现。

3.1、垃圾回收过程

1、初始标记：停止一切用户线程，仅使用一条初始标记线程对所有与GC ROOTS直接关联的对象进行标记。速度很快。

2、并发标记：使用多条并发标记线程并行执行，并与用户线程并发执行。此过程进行可达性分析，标记出所有废弃的对象。速度很慢。

3、重新标记：停止一切用户线程，并使用多条重新标记线程并行执行，将刚才并发标记过程中新出现的废弃对象标记出来。这个过程的运行时间介于初始标记和并发标记之间。

4、并发清除：只使用一条并发清除线程，和用户线程们并发执行，清除刚才标记的对象。这个过程非常耗时。

3.2、CMS的缺点

1、吞吐量低

由于CMS在垃圾收集过程中使用户线程和GC线程并行执行，从而线程切换会有额外开销，因此CPU吞吐量就不如在垃圾收集过程中停止一切用户线程的方式来的高。

2、无法处理浮动垃圾，导致频繁Full GC

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，那么在执行过程中就又会产生垃圾，这些垃圾称为“浮动垃圾”。

如果CMS在垃圾清理过程中，用户线程需要在老年代中分配内存时发现空间不足时，就需要再次发起Full GC，而此时CMS正在进行清除工作，因此此时只能由Serial Old临时对老年代进行一次Full GC。

3、使用“标记-清除”算法产生碎片空间

由于CMS使用了“标记-清除”算法， 因此清除之后会产生大量的碎片空间，不利于空间利用率。不过CMS提供了应对策略：

开启-XX:+
UseCMSCompactAtFullCollection

开启该参数后，每次FullGC完成后都会进行一次内存压缩整理，将零散在各处的对象整理到一块儿。但每次都整理效率不高，因此提供了以下参数。

设置参数
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction

本参数告诉CMS，经过了N次Full GC过后再进行一次内存整理。

四、通用垃圾收集器-G1收集器

1、G1收集器简介

G1收集器是从JDK1.7 u4版本之后正式引入到Java中垃圾收集器，此类垃圾收集器主要应用在多CPU以及大内存的服务器环境下，这样可以极大的减少垃圾收集的停顿时间，以提升服务器的操作性能。引入此垃圾收集器的主要目的是为了在将来的某个时间内可以替换掉CMS收集器。

2、G1的特点

3、G1的内存模型

G1垃圾收集器没有新生代和老年代的概念了，而是将堆划分为一块块独立的Region。当要进行垃圾收集时，首先估计每个Region中的垃圾数量，每次都从垃圾回收价值最大的Region开始回收，因此可以获得最大的回收效率。

图片源于某度图库

4、Remembered Set

一个对象和它内部所引用的对象可能不在同一个Region中，那么当垃圾回收时，是否需要扫描整个堆内存才能完整地进行一次可达性分析？

当然不是，每个Region都有一个Remembered Set，用于记录本区域中所有对象引用的对象所在的区域，从而在进行可达性分析时，只要在GC ROOTs中再加上Remembered Set即可防止对所有堆内存的遍历。

5、G1垃圾收集过程