【基础篇】十五、JVM垃圾回收器

1、垃圾回收器

对回收算法落地，出现了多种垃圾回收器：

搭配有：

• G1用于年轻代和老年代
• Serial + Serial Old
• ParNew + CMS
• Parallel Scavenge + Parallel Old

图中虚线为对应版本的废弃组合。

2、Serial + Serial Old

Serial：

• 串行、单线程的年轻代垃圾回收器
• 算法：复制算法
• 优点：单CPU下吞吐高
• 缺点：堆内存大时，会让用户线程长期等待，多CPU下性能差
• 场景：单CPU，硬件配置有限

Serial Old：

• Serial回收器的老年代版本
• 依旧串行、单线程回收
• 算法：标记整理算法

添加JVM参数：

-XX:+UseSerialGC 

新生代、老年代即使用Serial + Serial Old回收器组合。

3、ParNew回收器

• 实质是对Serial在多CPU下的优化，作用于年轻代
• 使用多线程进行垃圾回收
• 算法：复制
• 优点：多CPU下STW时间短
• 缺点：回收过程相对粗暴，吞吐和STW都不如G1
• 场景：搭配老年代的CMS

添加JVM参数：

-XX:+UseParNewGC

此参数对应的组合是：ParNew + Serial Old（已过时的组合）

4、CMS回收器

• Concurrent Mark Sweep
• 老年代的回收器
• 算法：标记清除算法
• 优点：STW时间短
• 场景：用户请求数据量大、频率高的场景，比如订单接口、商品接口等

CMS步骤：

• 初始标记：标记和GC Root 直接关联 的对象（不是遍历所有的引用链，因此耗时极短），此过程STW
• 并发标记：并发标记所有对象，此过程不用暂停用户线程（不用STW）
• 重新标记：上面并发时，有些对象的状态发生了变化，可能漏标或者错标（死了的又活了，活着的快死了），需要重标，此过程STW（但大部分对象上一步并发标记已经处理完了，漏标的占少数，所以这步STW时间短）
• 并发清理：清理死亡对象，用户线程不用暂停（不用STW）

整个过程，有两个步骤需要STW，而这两步又耗时最短，因此，CMS的SWT短

CMS的缺点：

• 内存碎片化问题：标记清除算法下产生的，CMS垃圾回收器会在Full GC后进行碎片整理，此过程STW

//调整多少次Full GC后进行整理
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=N 参数（默认0）

• 浮动垃圾问题：最后一步并发清理的时候，用户线程可能又产生了垃圾，这些只能等下波了
• 退化问题：老年代内存不足时，会退化为Serial Old
• 线程资源争抢问题：一定的CPU核数下，并发时，CMS标记或清理线程多了，其余执行用户代码的线程就少了（CMS并发线程数可设置）

基于以上缺点，JDK14后废弃CMS。添加JVM参数：

-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC

新老两块的回收器搭配就是ParNew + CMS

5、Parallel Scavenge + Parallel Old

Parallel Scavenge：

• JDK8默认的年轻代垃圾回收器
• 多线程并行回收，关注吞吐量（用户代码执行时间/用户时间+GC时间）
• 可自动调整堆的大小
• 算法：复制算法
• 优点：吞吐量高且开发者可控吞吐（JVM动态调整堆的大小来满足设置的吞吐）
• 缺点：不保证单次停顿时间（STW不保证）
• 场景：用于大数据的处理、大文件的导出（和用户没交互，容易产生大量对象）

Parallel Old：

• Parallel Scavenge的老年代版本
• 依旧多线程
• 算法：标记清除、整理

添加如下JVM参数，可以使用Parallel Scavenge + Parallel Old组合：

-XX:+UseParallelGC 或
-XX:+UseParallelOldGC

最大暂停时间参数：

//毫秒
-XX:MaxGCPauseMillis=n

吞吐的设置：

-XX:GCTimeRatio=n
//吞吐为n，则用户线程执行时间 = n/n + 1，n=99，则99%的时间执行用户代码

开启自动调整内存大小（默认）：

//JVM根据吞吐和STW最大时间自动调整堆大小
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy

注意最大时间和吞吐两项是矛盾的，最大暂停时间极小，吞吐量又设置很大，后者可能得不到保证。添加如下JVM参数，程序启动的时候，打印所有配置项的值：

-XX:+PrintFlagsFinal

指定使用PS+PO组合，看下他们的默认配置：发现默认吞吐为99，即用户线程执行99%的时间，执行GC时间占1%，最大暂停时间则很大，相当于没有设置

PS：

//终端执行以下指令，打印默认参数配置项
java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

6、G1垃圾回收器

关于G1：

• G1，Garbage First，作用于年轻代+老年代
• JDK9之后的默认垃圾回收器
• 支持多CPU并行垃圾回收
• 可设置最大停顿时间（最大的STW）
• 算法：复制算法

优点：

• 巨大的堆空间下回收也有高吞吐
• 不会产生内存碎片

缺点：

• JDK8之前带的G1还不够完善

G1前，堆内存的划分是连续的

G1下，堆被分为一块块大小相等的区Region：

• 划分不再要求连续，比如下面两部分绿色的Eden
• 每块面积默认 = 堆空间大小/2048
• -XX:G1HeapRegionSize=32m可设置每块的大小，但值必须为2次幂，且在1~32之间（2、4、8、16、32）
• 相对应的回收：年轻代回收（Young GC）、混合回收（Mixed GC）

使用G1需要添加JVM参数（JDK9及以后版本不用):

-XX:+UseG1GC

设置最大暂停时间：

-XX:MaxGCPauseMillis=毫秒值

7、G1的回收流程：Young GC

• 对象新new出来依旧安置到年轻代的Eden区
• G1判断出年轻代超过堆的max值（默认60%）时，触发Young GC
• 标记Eden + 幸存区的存活对象
• 根据开发者配置的最大暂停时间，选择性的将其中某一部分区域A中存活对象复制到新的幸存者区（对象头年龄+1），清空区域A

? 这个选择一部分区域的实现思路是：G1下的Young GC，会记录回收每个区Region（Eden和幸存者区）的平均耗时，做为下次回收的依据，默认-XX:MaxGCPauseMillis=200，如果计算每块Region平均耗时为40ms，则每次触发Young GC时，就最多干掉四块

• 后续再触发GC，就是把Eden和上次的S区存活对象复制到另一块S区
• 某个对象年龄到达阈值（默认15），依旧放入老年代
• 此外，对象大小超过50%的Region空间时，直接进老年代（这类特殊的老年代叫Humongous区）

• 多次回收后，当堆的使用率达到阈值，触发混合回收MixedGC，用复制算法回收一轮所有年轻代、部分老年代、大对象区

//阈值默认45%，可改
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent默认45%

8、G1的回收流程：Mixed GC

• 初始标记（initial mark）
• 并发标记（concurrent mark）
• 最终标记（remark或者Finalize Marking）
• 并发清理（cleanup）
  

注意和CMS的区别，流程像，但干的活儿不一样，且最后清理时，采用的算法也不一样。此外，G1对老年代的清理会选择存活度最低的区域来进行回收，以保证回收效率。

最后，因为清理是复制算法，如果清理时发现没有空Region去存放转移的对象（没地儿复制了），则转为单线程执行标记-整理算法进行Full GC，此时会导致用户线程的暂停。

9、回收器的选择

JDK8及之前：

• 关注暂停时间：选ParNew + CMS
• 关注吞吐：Parallel Scavenge + Parallel Old

JDK9及以后：

• G1，适用较大堆并且关注暂停时间