JVM|JVM学习(4) 垃圾收集器 Java基础|Java

如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现。Java虚拟机规范中对垃圾收集器应该如何实现并没有任何规定，因此不同的厂商、不同版本的虚拟机所提供的垃圾收集器都可能会有很大的差别，并且一般都会提供参数供用户根据自己的应用特点和要求组合出各个年代所使用的收集器。这里讨论的收集器基于Sun HotSpot虚拟机1.6版Update 22，这个虚拟机包含的所有收集器如图所示：

文章图片

图中展示了7种作用于不同分代的收集器（包括JDK 1.6_Update14后引入的Early Access版G1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。
Serial收集器
Serial收集器是最基本、历史最悠久的收集器，曾经（在JDK1.3.1之前）是虚拟机新生代收集的唯一选择。大家看名字就知道，这个收集器是单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅是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（Sun将这件事情称之为“Stop The World”），直到它收集结束。"Stop The World"这个名字也许听起来很酷，但这项工作实际上是由虚拟机在后台自动发起和自动完成的，在用户不可见的情况下把用户的正常工作的线程全部停掉，这对很多应用来说都是难以接受的。你想，要是你的电脑每运行一个小时就会暂停响应5分钟，你会有什么样的心情？下图示意了Serial/Serial Old收集器的运行过程。

文章图片

写道这里，笔者似乎已经把Serial收集器描述成一个老而无用，食之无味弃之可惜的鸡肋了，但实际上到现在为止，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比），对于限定单个CPU的环境来收，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。
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（例如：-XX:SurvivorRatio、-XX:PretenureSizeThreshold、-XX:HandlePromotionFailure等）、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，实际上这两种收集器也共用了相当多的代码。ParNewS收集器的工作过程如图：

文章图片

ParNew收集器除了多线程收集之外，其他与Serial收集器相比并没有太多创新之处，但它却是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，其中有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。
不幸的是，它作为老年代的收集器，却无法与JDK1.4.0种已经存在新生代收集器Parallel Scavenge配合工作，所以在JDK1.5种使用CMS来收集老年代的时候，新生代只能选择ParNew或Serial收集器中的一个。
ParNew收集器在单CPU的环境中绝对不会有Serial收集器更好的效果，甚至由于存在线程交互的开销，该收集器在通过超线程技术实现的两个CPU的环境中都不能百分之百地保证能超越Serial收集器。
注意从ParNew收集器开始，后面还将会接触到几款并发和并行地收集器。有必要先解释两个名词：并发和并行。

并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。
并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），用户程序继续运行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。

Parallel Scavenge收集器
Parallel Scavenge收集器也是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器……看上去和ParNew都一样，那它有什么特别之处呢？
Parallel Scavenge收集器的特点是它关注点与其他收集器不同，CMS等收集器的关注点尽可能地缩短垃圾收集时用户线程地停顿时间，而Parallel Scavenge收集器地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。
停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户的体验；而高吞吐量则可以最高相率地利用CPU时间，尽快地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。
Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集停顿时间的-XX:MaxGCPauseMillis参数及直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRation参数。
MaxGCPauseMillis参数允许的值是一个大于0的毫秒数，收集器将尽力保证内存回收花费的时间不超过设定值。
GCTimeRation参数的值应当是一个大于0小于100的证书，也就是垃圾收集时间占总时间的比率，相当于是吞吐量的倒数。
由于与吞吐量关系密切，Parallel Scavenge收集器也经常被称为“吞吐量优先”收集器。除了上述两个参数之外，Parallel Scavenge收集器还有一个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy值得关注。这是一个开关参数，当这个参数打开之后，就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRatio）、晋升老年代对像年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等细节参数了，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最适合的停顿时间或最大吞吐量，这种调节方式称为GC自适应的调节策略（GC Ergonomics）。如果读者对于收集器运作原理不太了解，手工优化存在困难的时候，使用Parallel Scavenge收集器配合自适应调节策略，把内存管理的调优任务交给虚拟机去完成将是一个很不错的选择。只需要把基本的内存数据设置好（如-Xmx设置最大堆），然后使用MaxGCPauseMillis参数（更关注最大停顿时间）或GCTimeRatio参数（更关注吞吐量）给虚拟机设立一个优化目标，那具体细节参数的调节工作就由虚拟机完成了。自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。
Serial Old收集器
Serial Old收集器是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也是被Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式下，它主要还有两大用途：一个是在JDK1.5及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另外一个就是作为CMS收集器的后被预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure的时候使用。
Paralel Old收集器
Paralel Old是Paralel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。这个收集器是在JDK1.6中才开始提供的，在此之前，新生代的Paralel Scavenge收集器一直处于比较尴尬的状态。原因是，如果新生代选择了Paralel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old（PS MarkSweep）收集器外别无选择（还记得上面说过Parallel Scavenge收集器无法与CMS收集器配合工作么？）。由于单线程的老年代Serial Old收集器在服务端应用性能上的“拖累”，即便使用了Parallel Scavenge收集器也未必能在整体应用上获得吞吐量最大化的效果，又因为老年代收集中无法充分利用服务器多CPU的处理能力，在老年代很大而且硬件比较高级的环境中，这种组合的吞吐量甚至还不一定有ParNew加CMS的组合“给力”。
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，在注重吞吐量及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。
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。目前最大一部分的Java应用都集中在互联网站或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。
它的运作过程相当于前面几种收集器来说更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括：

初始化标记（CMS initial mark）
并发标记（CMS concurrent mark）
重新标记（CMS remark）
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以下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程，而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化标记阶段稍长一些，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中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程与用户线程一起并发地执行地。通过下图可以比较清除地看到CMS收集器地运作步骤中并发和需要停顿地时间。

文章图片

CMS是一款优秀地收集器，它地最主要优点在名字上已经体现出来了：并发收集、低停顿，Sun的一些官方文档里面也称之为并发低停顿收集器（Concurrent Low Pause Collector）。但是CMS还远达不到完美的程度，它有以下三个显著的缺点：

CMS收集器对CPU资源非常敏感。
CMS收集器无法处理浮动垃圾（Floating Garbage），
收集结束时会产生大量空间碎片

G1收集器
G1（Garbage First）收集器是当前收集器技术发展的最前沿成果，在JDK1.6_Update14中提供了Early Access版本的G1收集器以供试用。这里只对G1收集器进行简单的介绍。
G1收集器是垃圾收集器理论进一步发展的产物，它与前面的CMS收集器相比有两个显著的改进：一是G1收集器是基于“标记-整理”算法实现的收集器，也就是说它不会产生空间碎片，这对于长时间运行的应用系统来说非常重要。二是它可以非常精确地控制停顿，即能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒地时间片段内，消耗地垃圾收集上地时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）地垃圾收集器地特征了。
【JVM|JVM学习(4) 垃圾收集器】G1收集器可以实现在基本不牺牲吞吐量地前提下完成低停顿的内存回收，这是由于它能够极力地避免全区域的垃圾收集，之前的收集器进行收集的范围都是整个新生代或老年代，而G1将整个Java堆（包括新生代、老年代）划分为多个大小固定的独立区域（Region），并且跟踪这些区域里面的垃圾堆积程度，在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收垃圾最多的区域（这就是Garbage First名称的来由）。区域划分及优先级的区域回收，保证了G1收集器在有限时间内可以获得最高的收集效率。