垃圾收集器知识点汇总

概述

如果说收集算法是内存回收的方法论，那么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可能会有很大差别，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jdk1.7update 14之后的HotSpot虚拟机，这个虚拟机包含的收集器如图3-5所示

上图展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，就说明它们可以搭配使用。虚拟机所处的区域，则代表它是属于新生代收集器还是老年代收集器。

1、Serial收集器

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器，曾经（在jdk 1.3.1之前）是虚拟机新生代收集的唯一选择。大家看名字就会知道，这个收集器是一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅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，更重要的是他在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。

从jdk1.3开始，一直到jdk1.7，HotSpot虚拟机开发团队为消除后者减少工作线程因内存回收而导致停顿的努力一直在进行着，从Serial收集器到Parallel收集器，再到Concurrent Mark Sweep（CMS）乃至GC收集器的最前沿成果Garbage First（G1）收集器，我们看到了一个个越来越优秀的收集器，用户线程停顿时间在不断缩短，但是仍然没有办法完全消除（这里暂不包括RTSJ中的收集器）。

虽然Serial收集器看起来像是鸡肋了，但实际上到现在为止，它仍然是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。它也有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相比），对于限定单个CPU的环境来说，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。

2、ParNew收集器

parNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条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：PretenureSizeThreshol、-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，在实现上，这两种收集器也共用了相当多的代码。parNew收集器的工作过程:

parNew收集器是许多运行在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。在jdk1.5时期，HotSpot推出了一款在强交互应用中几乎可认为有划时代意义的垃圾收集器——CMS收集器，这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。打个比方就是在你妈妈打扫房间的同时你还能一边往地上扔纸屑。

3、Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器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收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同，CMS等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标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，即：吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间+垃圾收集时间）。

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体验，而高吞吐量则可以高效利用CPU时间，尽快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参数以及直接设置吞吐量大小的-XX：GCTimeRatio参数

-XX：MaxGCPauseMillis参数

该参数允许的值是一个大于0的毫秒数，收集器尽可能地保证内存回收花费的时间不超过设定值。不过这里有一个误区：不要认为如果把这个参数的值设置的稍小一点就能使得系统的垃圾收集速度变得更快，GC停顿时间是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取的，系统把新生代调小一些，收集300M新生代肯定比收集500M快，这也直接导致垃圾收集发生得更频繁一些，原来10秒收集一次、每次停顿100毫秒，现在变成5秒收集一次，每次停顿70毫秒。停顿时间的确在下降，但吞吐量也降下来了。

-XX：GCTimeRatio参数

GCTimeRatio参数的值应当是一个大于0且小于100的整数，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。如果把此参数设置为19，那允许的最大GC时间就占总时间的5%（即 1 / （1+19）），默认值为99，就是允许最大1% （即 1 / (1+99) ）的垃圾收集时间。

注意：这里的倒数一说存在异议，作者可能认为两个数相加为1就是倒数。

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，当这个开关参数打开之后，就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX：SurvivorRation）、晋升老年代对象年龄（-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，动态调节这些参数以提供最适合的停顿时间或最大的吞吐量，这种调节方式称为GC自适应的调节策略（GC Ergonomics）。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。

4、Serial Old收集器

Serial old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在于给Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式下，那么它主要有两大用途：一种用途是在jdk1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另外一种用途就是作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。

5、Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年版本，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Parallel 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Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old（PS MarkSweep）收集器外别无选择。由于老年代Serial Old收集器在服务端应用性能上的“拖累”，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，由于单线程的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，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge 加 Parallel Old收集器。Parallel Old收集器的工作过程

6、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。目前很大一部分的java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符号这类应用的需求。

CMS收集器是基于“标记—清除”算法实现的，它的运作过程相对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收集线程都可以与用户线程一起工作，所以，从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

CMS的优点

并发收集、低停顿，Sun公司的一些官方文档中也称为并发低停顿收集器（Concurrent Low Pause Collector）

CMS缺点

• CMS收集器对CPU资源非常敏感。其实，面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程（或者说CPU资源）而导致应用程序变慢，总吞吐量降低。
• CMS收集器无法处理浮动垃圾（Floating Garbage），可能出现**“Concurrent Mode Failure”**失败而导致另一次Full GC的产生。由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴随程序运行自然就还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在当次收集中处理它们，只好留待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”。注意：要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来重新继续进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。所以说参数-XX：CMSInitiatingOccupancyFraction设置得太高容易导致大量“Concurrent Mode Failure”失败，性能反而降低。
• CMS是一款基于“标记—清除”算法实现的收集器，收集结束时会有大量空间碎片产生。空间碎片过多时，将会给大对象分配带来很大麻烦，往往会出现老年代还有很大空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次Full GC。

7、G1收集器

G1（Garbage-First）收集器是当今收集器技术发展的最前沿成果之一，是一款面向服务端应用的垃圾收集器。HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉jdk1.5中发布的CMS收集器。与其他GC收集器相比，G1具有如下特点：

• 并行与并发：G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU来缩短stop-the-world停顿的时间，部分其他收集器原本需要停顿java线程执行gc动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让java程序继续执行，
• 分代收集：与其他收集器一样，分代概念在G1中依然得以保留。虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已存活了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获得更好的收集效果。
• 空间整合：与CMS的“标记—清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记—整理”算法实现的收集器，从局部（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的，但无论如何，这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。
• 可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点，但G1住了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了

在G1之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这样。使用G1收集器时，java堆内存布局就与其他收集器有很大差别，它将整个java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，他们都是一部分Region（不需要连续）的集合。

G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在整个java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也就是Garbage-First名称的来由）。这种使用Region划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的的收集效率。

在G1收集器中，Region之间的对象引用以及其他收集器中的新生代与老年代之间的对象引用，虚拟机都是使用Remembered Set，虚拟机发现程序在对Reference类型的数据进行写操作时，会产生一个Write Barrier暂时中断写操作，检查Reference引用的对象是否处于不同的Region之中（在分代的例子中就是检查是否老年代中的对象引用了新生代中的对象），如果是，便通过CardTable把相关引用信息记录到被引用对象所属的Region的Remembered Set之中。当进行内存回收时，在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set即可保证不对全堆扫描也不会有遗漏。

如果不计算维护Remembered Set的操作，G1收集器的运作大致分为以下几个步骤：

• 初始标记
• 并发标记
• 最终标记
• 筛选回收

G1的前几个步骤的运作过程和CMS有很多相似之处。初始标记阶段仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，并且修改TAMS（Next Top at Mark Start）的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可用的Region中创建新对象，这阶段需要停顿线程，但耗时很短。并发标记阶段是从GC Roots开始对堆中对象进行可达性分析，找出存活的对象，这阶段耗时较长，但可与用户程序并发执行。而最终标记阶段则是为了修正在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标记记录，虚拟机将这段时间对象变化在线程Remembered Set Logs里面，最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中，这阶段需要停顿线程，但是可并行执行。最后在筛选回收阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划，从Sun公司透露出来的信息来看，这个阶段其实也可以做到与用户程序一起并发执行，但是因为只回收一部分Region，时间是用户可控制的，而且停顿用户线程将大幅度提高收集效率。下图可以比较清除地看到G1收集器的运作步骤中并发和需要停顿的阶段。

垃圾收集器参数总结

–本文知识点均摘自《深入理解java虚拟机》