2018-01-10 JVM篇之垃圾收集器

作者: _BK_徐静 | 来源:发表于2018-01-11 00:48 被阅读54次

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前言

本篇进一下GC的种类和各种GC之前的区别和差异，网上关于GC种类介绍有很多，眼花缭乱的，但是没有看到一篇能把各种GC之前的细微差异讲的清楚的，希望通过本篇文章，读者可以对GC的种类有更深刻的了解。
对于GC算法的可参数文章JVM篇之 GC算法

一、串行收集器-Serial

Serialv收集器最古老的，最稳定的，历经考验，内部的BUG比较少的一个收集器，单个GC线程进行垃圾回收。

会作为CMS收集器降级处理时会使用此收集器。

JVM GC参数

增加JVM参数  -XX:+UseSerialGC 使用串行收集器，启用此参数后
- 新生代、老年代使用串行回收
- 新生代使用复制算法
- 老年代使用标记-压缩

回收过程如下图：

串行收集器.png

通过上图，可以看出在应用程序线程到达安全点后，会全部暂停，然后运行GC线程(单线程)，GC线程线程执行完成之后，再开始执行应用线程。

缺点：因为是串行的，只使用一个线程进行回收，所以会产生较长的停顿时间，成多核的CPU上，是无法发挥CPU的性能

GC日志

Serial收集器GC日志 .png

当看GC日志有红色加粗显示的标识时，说明当前使用的是Serial收集器GC

二、并行收集器-ParNew

Serial收集器新生代的并行版本，与Serial收集器相比只影响新生代的回收，此收集器需要多核cpu的支持，GC性能会更好。

JVM GC参数

增加JVM参数  -XX:+UseParNewGC ，启用ParNew收集器，启用之后
-新生代并行
-新生代使用复制算法
-老年代串行
-老年代使用标记-压缩算法

由于新生代是并行回收，可以通过参数来调整并行回收的线程数量

  -XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

ParNew收集器与Serial收集器主要区别在于，新生代的回收，前者是多线程回收，后者是单线程回收

回收过程如下图：

ParNew收集器.png 通过上图，可以看出在应用程序线程到达安全点后，会全部暂停，然后运行多个GC线程去做垃圾回收，GC线程线程执行完成之后，再开始执行应用线程。

GC日志

在GC日志中出现上图中红色加粗显示的标识时，说明当前GC使用的是ParNew收集器,如下图显示

ParNew GC日志.png

三、Parallel收集器

Serial收集器在新生代和老年代的多线程版收集器
ParNew收集器，在老年代的并行版收集器

- 新生代复制算法
- 老年代 标记-压缩
- 更加关注吞吐量

JVM GC参数

-XX:+UseParallelGC 
  - 新生代使用Parallel收集器 
  - 老年代串行
-XX:+UseParallelOldGC
  - 新生代使用Parallel收集器
  - 并行老年代

回收过程如下图

图片.png

GC日志

在GC日志中出现上图中红色加粗显示的标识时，说明当前GC使用的是Parallel收集器,如下图显示!

Parallel GC日志.png

其它JVM参数

由于Parallel收集器比较关注吞吐量，所以还提供了一些配套的参数来控制GC的时间和占比

-XX:MaxGCPauseMills（停顿时间）
    设置GC的最大停顿时间，单位毫秒
    GC尽力保证回收时间不超过设定值
    作为一个GC的目标值
-XX:GCTimeRatio（可理解为吞吐量）
    GC所使用的CPU时间占用总时间的百分比
    在0-100的取值范围
    默认99，即最大允许1%时间做GC

通常情况下，我们希望GC停顿时间短 ,同时又希望吞吐量高，但事实上这两个参数是矛盾的。因为停顿时间和吞吐量不可能同时调优。在GC工作负载不变的情况下

如果提高GC的频率，因为频率高了，所以每次GC要处理的垃圾就少了，GC速度自然速度就会加快，但是频繁的GC会对系统的整体性能有损伤的，就会出现GC停顿时间短了，但是系统整体性能并不会很好。
如果降低GC的频率，自然而然每次要处理的垃圾就会增加，所以会导致每次GC的时间相对就会增加，但是对系统的整体性能是有所上升的。

对吞吐量的理解

cpu分到应用程序上的时间越多，吞吐量自然就会增加
cpu分到GC线程上的时间越多，处理应用线程就会越少。
所以吞吐量，可以用应用线程占用CPU时间的长短来衡量。

在停顿时间和吞吐量两者上，在GC工作负载不变的情况下，不可能两者同时提高，个人认为除非优化GC算法，从根本上降低GC的工作负载。

所以在调试停顿时间和吞吐量这两个参数时，要根据实际情况来调整。

四、CMS收集器

CMS(Concurrent Mark Sweep) 并发标记清除，并发的意思是与用户线程一起运行，从名字上可以理解，此算法是使用标记-清除算法，比较关注停顿时间。

JVM GC参数

增加JVM参数  -XX:+UseConcMarkSweepGC，启用CMS收集器，启用之后
- 新生代使用ParNew收集器
- 新生代使用复制算法
- 老年代使用CMS收集器
- 老年代使用并发标记-清除

回收过程

因为CMS收集器要与用户线程一起运行，所以它的算法和实现机制比较复杂，主要工作可以分为五步：

初始标记

- 标识根节点直可达的对象
- 速度快
- 会产生STW

并发标记（和用户线程一起）

-  并发标记存活对象
- 占用时间相对较长

重新标记

- 由于并发标记时，用户线程依然运行因以在正式清理前，对有变化的对象，所以需要修正，对对象重新标记
- 会产生STW

并发清除（和用户线程一起）

-  基于标记结果，直接清理不可达的对象

并发重置

- 为下一次CMS GC做准备

回收过程如下

cms回收过程.png

GC日志

 CMS-initial-mark  初始标记
 CMS-concurrent-mark  并发标记
 CMS-remark   重新标记
 CMS-concurrent-sweep  并发清除
 CMS-concurrent-reset  并发重置

具体的日志内容如下:

图片.png

cms收集器的特点

尽可能降低停顿
会影响系统整体吞吐量和性能
比如，在用户线程运行过程中，分一半CPU去做GC，系统性能在GC阶段，反应速度就下降一半
清理不彻底
因为在清理阶段，用户线程还在运行，会产生新的垃圾，无法清理
与标记-压缩相比会产生内存碎片
并发阶段会降低吞吐量

因为CMS收集器和用户线程一起运行，所以不能在空间快满时再清理，因为与用户线程同时进入，如果在快满的时候进行清理的话，很容易出两用户线程申请内存，出现concurrent mode failure的情况，所以JVM考虑到这点，提供相应的参数进行设置触发GC的阈值

    -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置触发GC的阈值
    -XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction：当永久区占用率达到这一百分比时，启动CMS回收
    -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：设置CMS收集器在老年代空间被使用多少后触发

即使设置了阈值也不能保证不会出现并发收集的错误，如果不幸内存预留空间不够，就会引起concurrent mode failure，当发生这种情况之后，CMS收集器会降级到Serial收集器进行垃圾回收，这时候会暂停用户线程，会产生一个长时间的停顿来回收垃圾。

下图是发生concurrent mode failure时的GC日志

concurrent mode failure.png

有关碎片

因为CMS采用标记清除算法，所以会产生大量的内存碎片，所以JVM提供了两个参数来对碎片进行整理

    -XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection 
        Full GC后，进行一次整理
        整理过程是独占的，会引起停顿时间变长（因为要移动大量的存活对象)
    -XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 
        设置进行几次Full GC后，进行一次碎片整理
    -XX:ParallelCMSThreads 
       设定CMS的线程数量

五、各GC收集器对比

收集器	JVM参数	新生代	老年代
Serial	-XX:+UseSerialGC	串行、复制算法	串行、标记压缩算法
ParNew	-XX:+UseParNewGC	并行、复制算法	串行、标记压缩算法
Parallel	-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC	串行或并行、复制算法	串行或者并行、标记压缩算法
CMS	-XX:+UseConcMarkSweepGC	并行、复制算法	并发、标记清除算法