一文了解JVM全部垃圾回收器,从Serial到ZGC

《对象搜索算法与回收算法》 介绍了垃圾回收的基础算法,相当于垃圾回收的方法论。接下来就详细看看垃圾回收的具体实现。

上文提到过现代的商用虚拟机的都是采用分代收集的,不同的区域用不同的收集器。常用的7种收集器,其适用的范围如图所示

一文了解JVM全部垃圾回收器,从Serial到ZGC

Serial、ParNew、Parallel Scavenge用于新生代;

CMS、Serial Old、Paralled Old用于老年代。 并且他们相互之间以相对固定的组合使用(具体组合关系如上图)。G1是一个独立的收集器不依赖其他6种收集器。ZGC是目前JDK 11的实验收集器。

下面来看看各个收集器的特性

Serial收集器

Serial,是单线程执行垃圾回收的。当需要执行垃圾回收时,程序会暂停一切手上的工作,然后单线程执行垃圾回收。

因为新生代的特点是对象存活率低,所以收集算法用的是复制算法,把新生代存活对象复制到老年代,复制的内容不多,性能较好。

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单线程地好处就是减少上下文切换,减少系统资源的开销。但这种方式的缺点也很明显,在GC的过程中,会暂停程序的执行。若GC不是频繁发生,这或许是一个不错的选择,否则将会影响程序的执行性能。 对于新生代来说,区域比较小,停顿时间短,所以比较使用。

ParNew收集器

ParNew同样用于新生代,是Serial的多线程版本,并且在参数、算法(同样是复制算法)上也完全和Serial相同。

Par是Parallel的缩写,但它的并行仅仅指的是收集多线程并行,并不是收集和原程序可以并行进行。ParNew也是需要暂停程序一切的工作,然后多线程执行垃圾回收。

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因为是多线程执行,所以在多CPU下,ParNew效果通常会比Serial好。但如果是单CPU则会因为线程的切换,性能反而更差。

Parallel Scavenge收集器

新生代的收集器,同样用的是复制算法,也是并行多线程收集。与ParNew最大的不同,它关注的是垃圾回收的吞吐量。

这里的吞吐量指的是 总时间与垃圾回收时间的比例。这个比例越高,证明垃圾回收占整个程序运行的比例越小。

Parallel Scavenge收集器提供两个参数控制垃圾回收的执行:

  • -XX:MaxGCPauseMillis ,最大垃圾回收停顿时间。这个参数的原理是空间换时间,收集器会控制新生代的区域大小,从而尽可能保证回收少于这个最大停顿时间。简单的说就是回收的区域越小,那么耗费的时间也越小。
    所以这个参数并不是设置得越小越好。设太小的话,新生代空间会太小,从而更频繁的触发GC。
  • -XX:GCTimeRatio ,垃圾回收时间与总时间占比。这个是吞吐量的倒数,原理和MaxGCPauseMillis相同。

因为Parallel Scavenge收集器关注的是吞吐量,所以当设置好以上参数的时候,同时不想设置各个区域大小(新生代,老年代等)。可以开启**-XX:UseAdaptiveSizePolicy**参数,让JVM监控收集的性能,动态调整这些区域大小参数。

Serial Old收集器

老年代的收集器,与Serial一样是单线程,不同的是算法用的是标记-整理(Mark-Compact)。

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因为老年代里面对象的存活率高,如果依旧是用复制算法,需要复制的内容较多,性能较差。并且在极端情况下,当存活为100%时,没有办法用复制算法。所以需要用Mark-Compact,以有效地避免这些问题。

Parallel Old收集器

老年代的收集器,是Parallel Scavenge老年代的版本。其中的算法替换成Mark-Compact。

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CMS收集器

CMS,Concurrent Mark Sweep,同样是老年代的收集器。它关注的是垃圾回收最短的停顿时间(低停顿),在老年代并不频繁GC的场景下,是比较适用的。

命名中用的是concurrent,而不是parallel,说明这个收集器是有与工作执行并发的能力的。MS则说明算法用的是Mark Sweep算法。

来看看具体地工作原理。CMS整个过程比之前的收集器要复杂,整个过程分为四步:

  • 初始标记(initial mark),单线程执行,需要“Stop The World”,但仅仅把GC Roots的直接关联可达的对象给标记一下,由于直接关联对象比较小,所以这里的速度非常快。
  • 并发标记(concurrent mark),对于初始标记过程所标记的初始标记对象,进行并发追踪标记,此时其他线程仍可以继续工作。此处时间较长,但不停顿。
  • 重新标记(remark),在并发标记的过程中,由于可能还会产生新的垃圾,所以此时需要重新标记新产生的垃圾。此处执行并行标记,与用户线程不并发,所以依然是“Stop The World”,时间比初始时间要长一点。
  • 并发清除(concurrent sweep),并发清除之前所标记的垃圾。其他用户线程仍可以工作,不需要停顿。
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由于最耗费时间的并发标记与并发清除阶段都不需要暂停工作,所以整体的回收是低停顿的。

由于CMS以上特性,缺点也是比较明显的,

  • Mark Sweep算法会导致内存碎片比较多
  • CMS的并发能力依赖于CPU资源,所以在CPU数少和CPU资源紧张的情况下,性能较差
  • 并发清除阶段,用户线程依然在运行,所以依然会产生新的垃圾,此阶段的垃圾并不会再本次GC中回收,而放到下次。所以GC不能等待内存耗尽的时候才进行GC,这样的话会导致并发清除的时候,用户线程可以了利用的空间不足。所以这里会浪费一些内存空间给用户线程预留。

有人会觉得既然Mark Sweep会造成内存碎片,那么为什么不把算法换成Mark Compact呢?

答案其实很简答,因为当并发清除的时候,用Compact整理内存的话,原来的用户线程使用的内存还怎么用呢?要保证用户线程能继续执行,前提的它运行的资源不受影响嘛。Mark Compact更适合“Stop the World”这种场景下使用。

G1收集器

G1,Garbage First,在JDK 1.7版本正式启用,是当时最前沿的垃圾收集器。G1可以说是CMS的终极改进版,解决了CMS内存碎片、更多的内存空间登问题。虽然流程与CMS比较相似,但底层的原理已是完全不同。

高效益优先。G1会预测垃圾回收的停顿时间,原理是计算老年代对象的效益率,优先回收最大效益的对象。

堆内存结构的不同。以前的收集器分代是划分新生代、老年代、持久代等。

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G1则是把内存分为多个大小相同的区域Region,每个Region拥有各自的分代属性,但这些分代不需要连续。

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这样的分区可以有效避免内存碎片化问题。

但是这样同样会引申一个新的问题,就是分代的内存不连续,导致在GC搜索垃圾对象的时候需要全盘扫描找出引用内存所在。

为了解决这个问题,G1对于每个Region都维护一个Remembered Set,用于记录对象引用的情况。当GC发生的时候根据Remembered Set的引用情况去搜索。

两种GC模式:

  • Young GC,关注于所有年轻代的Region,通过控制收集年轻代的Region个数,从而控制GC的回收时间。
  • Mixed GC,关注于所有年轻代的Region,并且加上通过预测计算最大收益的若干个老年代Region。

整体的执行流程:

  • 初始标记(initial mark),标记了从GC Root开始直接关联可达的对象。STW(Stop the World)执行。
  • 并发标记(concurrent marking),并发标记初始标记的对象,此时用户线程依然可以执行。
  • 最终标记(Remark),STW,标记再并发标记过程中产生的垃圾。
  • 筛选回收(Live Data Counting And Evacuation),评估标记垃圾,根据GC模式回收垃圾。STW执行。
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在Region层面上,整体的算法偏向于Mark-Compact。因为是Compact,会影响用户线程执行,所以回收阶段需要STW执行。

令人惊叹的ZGC

在JDK 11当中,加入了实验性质的ZGC。它的回收耗时平均不到2毫秒。它是一款低停顿高并发的收集器。

ZGC几乎在所有地方并发执行的,除了初始标记的是STW的。所以停顿时间几乎就耗费在初始标记上,这部分的实际是非常少的。那么其他阶段是怎么做到可以并发执行的呢?

ZGC主要新增了两项技术,一个是 着色指针Colored Pointer ,另一个是 读屏障Load Barrier

着色指针Colored Pointer

ZGC利用指针的64位中的几位表示Finalizable、Remapped、Marked1、Marked0(ZGC仅支持64位平台),以标记该指向内存的存储状态。相当于在对象的指针上标注了对象的信息。注意,这里的指针相当于Java术语当中的引用。

在这个被指向的内存发生变化的时候(内存在Compact被移动时),颜色就会发生变化。

在G1的时候就说到过,Compact阶段是需要STW,否则会影响用户线程执行。那么怎么解决这个问题呢?

读屏障Load Barrier由于着色指针的存在,在程序运行时访问对象的时候,可以轻易知道对象在内存的存储状态(通过指针访问对象),若请求读的内存在被着色了。那么则会触发读屏障。读屏障会更新指针再返回结果,此过程有一定的耗费,从而达到与用户线程并发的效果。

把这两项技术联合下理解,引用R大(RednaxelaFX)的话

与标记对象的传统算法相比,ZGC在指针上做标记,在访问指针时加入Load Barrier(读屏障),比如当对象正被GC移动,指针上的颜色就会不对,这个屏障就会先把指针更新为有效地址再返回,也就是,永远只有单个对象读取时有概率被减速,而不存在为了保持应用与GC一致而粗暴整体的Stop The World。

ZGC虽然目前还在JDK 11还在实验阶段,但由于算法与思想是一个非常大的提升,相信在未来不久会成为主流的GC收集器使用。

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原文 

https://juejin.im/post/5bade237e51d450ea401fd71

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