深入理解JVM（七）——JVM的垃圾收集器介绍、配置和选型

0.前言

1.Serial垃圾收集器

1.1Serial垃圾收集器优缺点及适用场景

1.2Serial垃圾收集器的开启和使用

2.ParNew垃圾收集器

2.1ParNew垃圾收集器优缺点及适用场景

2.2ParNew垃圾收集器的开启和使用

3.Parallel垃圾收集器

3.1Parallel垃圾收集器优缺点及适用场景

3.2Parallel垃圾收集器的开启和使用

4.CMS垃圾收集器

4.1CMS垃圾收集器优缺点及适用场景

4.2CMS垃圾收集器的开启和使用

4.3CMS垃圾收集器的使用注意事项

5.G1垃圾收集器

5.1G1垃圾收集器优缺点及适用场景

5.2G1垃圾收集器的开启和使用

6.垃圾收集器的算法汇总

0.前言
我们之前在深入理解JVM（五）——垃圾收集算法中介绍过各种垃圾收集的算法，但是GC算法是内存回收的理论，垃圾收集器是算法的落地实现。首先到目前为止并没有完美的垃圾收集器，我们只有针对合适的场景，采用适当的垃圾收集器。

1.Serial垃圾收集器
Serial垃圾收集器是最基本，发展最悠久的单线程垃圾收集器。我们先来看一下它的垃圾收集过程图。

执行流程：假设我们的java进程的堆内存已经被耗尽，当Serial垃圾收集器启动的时候，它会停止一切用户线程，到达一个STOP-THE-WORLD（会有较长的停顿）的状态，等到垃圾收集完毕之后，再运行用户线程进行工作。

串行收集器是最古老，最稳定且效率最高的收集器，只使用一个垃圾收集器去回收会在其收集的时候产生较长的停顿，虽然要暂停所有其它的线程，但是它最简单高效，对于限定单个CPU环境来说，没有线程交互的开销可以获得最高的单线程垃圾收集效率。

1.1Serial垃圾收集器优缺点及适用场景
优点：实现简单，稳定，单线程效率最高
缺点：会有较长时间的停顿，用户体验差
适用场景：单CPU或小内存，较小的程序

1.2Serial垃圾收集器的开启和使用
-XX:+UseSerialGC 开启Serial垃圾收集器
-XX:+PrintCommandLineFlags 启动服务的时候，查看程序使用的默认JVM参数

开启上述参数后，会使用Serial(Young区)+Serial(Old区)的组合。
新生代采用复制算法，老年代采用标记整理算法。

当我们把上述参数输入IDEA之后，在启动服务的第一行，就会出现我们已经开启了Serial垃圾收集器。

2.ParNew垃圾收集器
ParNew垃圾收集器其实就是多线程版本的Serial垃圾收集器，其余的行为和Serial垃圾收集器一模一样，ParNew收集器在垃圾收集过程中同样也需要暂停所有工作线程（STOP-THE-WORLD）。

2.1ParNew垃圾收集器优缺点及适用场景
优点：实现简单，稳定，在多cpu的情况下，比单线程效率更高，停顿时间短
缺点：也会有一定的停顿，用户体验差
适用场景：多CPU，追求停顿时间，需要快速响应的场景，如互联网应用

2.2ParNew垃圾收集器的开启和使用
-XX:+UseParNewGC 开启ParNew垃圾收集器
-XX:+PrintCommandLineFlags 启动服务的时候，查看程序使用的默认JVM参数

开启上述参数后，会使用ParNew(Young区)+Serial(Old区)的组合。新生代采用复制算法，老年代采用标记整理算法。

3.Parallel垃圾收集器

Parallel垃圾收集器类似于ParNew垃圾收集器，也是一个新生代的垃圾收集器，使用复制算法，也是一个并行的多线程垃圾收集器，不过它的关注点是达到可控制的吞吐量
（吞吐量：cpu用于运行用户代码的时间和cpu消耗的总时间的比值 ）
（吞吐量公式：用户代码的时间 / (用户代码的时间)+（垃圾回收的占用时间））

比如程序运行100分钟，垃圾收集器运行1分钟，吞吐量就是99%。

3.1Parallel垃圾收集器优缺点及适用场景
优点：多线程收集速度快，可以控制吞吐量
缺点：如果参数设置地过于小，线程之间不断切换意味着需要额外的开销，从而垃圾回收和用户线程的总时间将会延长。
使用场景：多CPU，需要大吞吐量，如后台计算应用

3.2Parallel垃圾收集器的开启和使用
-XX:+UseParallelGC 开启Parallel垃圾收集器
-XX:+PrintCommandLineFlags 启动服务的时候，查看程序使用的默认JVM参数

因为parallel垃圾收集器是控制吞吐量的，所以还有几个重要的参数。

-XX：+UseAdaptiveSizePolicy 设置Parallel Scavenge收集器具有自适应调节策略。
在这种模式下，年轻代的大小、Eden和Survivor的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整，已达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。

在手动调优比较困难的场合，可以直接使用这种自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量（GCTimeRatio）和停顿时间（MaxGCPauseMIllis），让虚拟机自己完成调优工作。

-XX：ParallelGCThreads设置年轻代并行收集器的线程数。一般的最好与CPU数量相等，以避免过多的线程数影响垃圾回收性能。88
默认情况下，当CPU数量小于8个，ParallelGCThreads的值等于CPU数量。
当CPU数量大于8个时，线程数为3 + （（5*CPU_Count）/8）。

-XX：MaxGCPauseMillis设置垃圾收集器最大停顿时间（即STW的时间）。单位是毫秒。
为了尽可能地把停顿时间控制在MaxGCPauseMillis以内，收集器在工作时会调整Java堆大小或者其他一些参数。

对于用户来讲，停顿时间越短体验越好。但是在服务器端，我们注重高并发，整体的吞吐量。所以服务器端适合Parallel，进行控制。

该参数谨慎使用。

-XX：GCTimeRatio ：取值范围（0,100）垃圾收集时间占总时间的比例（=1 / (N + 1)）用于衡量吞吐量的大小。默认值99，也就是垃圾回收时间不超过1%。
MaxGCPauseMIllis越大，这个比例就越高。

4.CMS垃圾收集器
CMS（Concurrent Mark Sweep:并发标记清除）是一种以最短回收停顿时间为目标的收集器。它的垃圾收集线程和用户线程一起执行，将STW的时间到达最短，采用标记-清除算法。

我们从图可以看出，cms垃圾收集器一共分四个步骤：
初始标记：需要stop the world，使用可达性分析算法标记，速度很快
并发标记：多个线程同时并发标记
重新标记：修正并发标记期间因为用户程序继续运作而导致的变动
并发清除：并发进行清除

4.1CMS垃圾收集器优缺点及适用场景
优点：并发收集，低停顿
缺点：对cpu资源敏感，无法处理浮动垃圾，基于标记清除，会产生碎片
适用场景：适用于堆内存大，CPU核数多的服务器端应用，这类应用及其重视服务器响应速度，希望系统停顿时间最短。

4.2CMS垃圾收集器的开启和使用
-XX:+UseConcMarkSweepGC 开启CMS垃圾收集器
-XX:+PrintCommandLineFlags 启动服务的时候，查看程序使用的默认JVM参数

4.3CMS垃圾收集器的使用注意事项
1.由于并发执行，CMS在收集与应用线程同时执行的时候，会增加堆内存的占用。也就是说，CMS垃圾收集器要在老年代堆内存用尽之前完成垃圾回收，否则CMS垃圾收集器回收失败，会触发担保机制，串行老年代收集器将会以STWGC的方式进行一次GC，造成大量停顿时间。

2.标记清除算法无法整理碎片，老年代会随着时间的流逝而用尽内存，最后不得不通过担保机制对堆内存进行压缩。CMS也提供了参数-XX:CMSFullGCsBeForeCompation来指定多少次CMS垃圾收集之后，进行一次压缩GC。

5.G1垃圾收集器
在介绍G1收集器之前，我们先总结一下以前的垃圾收集器的共同点，再来看G1。
年轻代和老年代是各自独立且连续的内存块。
年轻代收集使用eden+S0+S1进行复制算法。
老年代收集器必须扫描整个老年代区域
都是以尽可能少而快速地执行GC为设计原则。

这时，我们来看G1：
G1应用在多处理器和大容量内存环境中，在实现高吞吐量的同时，尽可能地满足垃圾收集器暂停时间的要求。另外，它还具备以下特性：

像CMS垃圾收集器一样，能与工作线程同时并发执行。
整理空间速度更快。
不希望牺牲大量的吞吐性能。
不需要更大的JAVA Heap。

G1垃圾收集器的初衷是为了取代CMS垃圾收集器，它同CMS相比，在以下方面表现更出色。
G1是一个采用标记-整理算法，不会产生很多内存碎片。
G1能充分利用多CPU硬件优势，缩短STW时间
宏观上G1不区分新生代和老年代，把内存划分成了多个独立的子区域。可以看做围棋的棋盘图。
G1收集器里面的整个内存区域都混合在一起了，但其本身仍然在小范围内仍要进行年轻代和老年代的区分。
G1虽然也是分代收集器，但整个内存分区不在物理上进行隔离，每个区域会随着对象的变化进行老年代和新生代之间的转化。

G1大概就把内存分成了如图所示

各个区域也由原来的发生了变化：

针对Eden区域进行收集，Eden区耗尽后会被触发，主要是小区域收集+形成连续的内存块，避免内存碎片
假设Eden区域内存不够，部分对象晋升到Survivor区域，如果Survivor区域不够，字节进入老年代。

执行过程：和CMS一样
初始标记：需要stop the world，使用可达性分析算法标记，速度很快
并发标记：多个线程同时并发标记
重新标记：修正并发标记期间因为用户程序继续运作而导致的变动
并发清除：并发进行清除

5.1G1垃圾收集器优缺点及适用场景
优点：
G1不会产生内存碎片
G1效率高
G1可以精确控制停顿
缺点：
G1 需要记忆集 (具体来说是卡表)来记录新生代和老年代之间的引用关系，这种数据结构在 G1 中需要占用大量的内存，可能达到整个堆内存容量的 20% 甚至更多。而且 G1 中维护记忆集的成本较高，带来了更高的执行负载，影响效率。

5.2G1垃圾收集器的开启和使用
-XX:+UseG1GC 开启G1收集器
-XX:+PrintCommandLineFlags 启动服务的时候，查看程序使用的默认JVM参数

另外 G1还有以下辅助参数。

-XX:G1HeapRegionSize=n: 设置G1区域的大小，值是2的次数幂，范围是1MB~32MB

-XX:MaxGCPauseMillis GC最大停顿时间，单位是毫秒

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：堆占用了多少个的时候就触发GC，默认为45

-XX:ParallelGCThreads STW期间，并行GC线程数

-XX:G1ReservePercent 默认10%。也就是老年代会预留10%的空间来给新生代的对象晋升.设置空闲的空间预留内存百分比，以降低OOM的风险。

6垃圾收集器的算法汇总

参数	新生代垃圾收集器	新生代算法	老年代垃圾收集器	老年代算法
-XX:+UserSerialGC	SerialGC	复制	SerialOldGC	标记整理
-XX:+UseParNewGC	ParNew	复制	SerialOldGC	标记整理
-XX:+UseParallelGC	Parallel	复制	ParallelOld	标记整理
-XX:+UseConcMarkSweepGC	ParNew	复制	CMS+SerialOld	标记清除
-XX:+UseG1GC	G1整体上采用标记-整理算法	局部是复制算法，不会产生碎片

总结：
今天我们介绍了各种垃圾收集器的特点，收集过程，收集算法和使用场景，希望我们能多多使用，掌握垃圾收集器。