一起了解早期使用的各种垃圾收集器-编程知识

一起了解早期使用的各种垃圾收集器

news/2024/11/7 8:16:11/文章来源:https://www.cnblogs.com/seven97-top/p/18531245

以上是 HotSpot 虚拟机中的 7 个垃圾收集器，连线表示垃圾收集器可以配合使用。

并行收集： 指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。

并发收集： 指用户线程与垃圾收集线程同时工作（不一定是并行的可能会交替执行）。用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行在另一个CPU上

吞吐量： 即CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值（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 )），也就是。例如：虚拟机共运行100分钟，垃圾收集器花掉1分钟，那么吞吐量就是99%

串行Serial / Serial Old 收集器

特点：单线程、简单高效（与其他收集器的单线程相比），采用复制算法。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。收集器进行垃圾回收时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它结束（Stop The World）参数：-XX:+UseSerialGC -XX:+UseSerialOldGC

安全点： 让其他线程都在这个点停下来，以免垃圾回收时移动对象地址，使得其他线程找不到被移动的对象因为是串行的，所以只有一个垃圾回收线程。且在该线程执行回收工作时，其他线程进入阻塞状态

Serial Old是Serial收集器的老年代版本：采用标记整理算法

特点：

单线程收集器
- 收集效率高，不会产生对象引用变更
- STW时间长
使用场景：适合内存小几十兆以内，比较适合简单的服务或者单CPU服务，避免了线程交互的开销。
优点：小堆内存且单核CPU执行效率高。
缺点：堆内存大，多核CPU不适合，回收时长非常长。

ParNew 收集器

年轻代：-XX:+UserParNewGC 老年代搭配 CMS

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本

特点： 多线程、ParNew收集器默认开启的收集线程数与CPU的数量相同，在CPU非常多的环境中，可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。和Serial收集器一样存在Stop The World问题

CMS 收集器

老年代：-XX:+UserConcMarkSweepGC年轻代搭配ParNew

Concurrent Mark Sweep，一种以获取最短回收停顿时间为目标的老年代收集器

特点： 基于标记清除算法实现。并发收集、低停顿，但是会产生内存碎片

运行过程分分为下列4步：

初始标记： 标记GCRoots直接关联的对象以及年轻代指向老年代的对象，会发生Stop the word。但是这个阶段的速度很快，因为没有向下追溯，即只标记一层。

例如：Math math = new Math();此时new Math()即为math的直接引用对象，再往下为间接引用不做记录，例如构造方法中引用了其他成员变量

并发标记： 接着从gc roots的直接引用对象开始遍历整条引用链并进行标记，此过程耗时较长，但无需停顿用户线程，可与垃圾收集线程一起并发运行。由于用户线程继续运行，因此可能会导致已经标记过的对象状态发生改变，这个阶段采用三色标记算法，在对象头(Mark World)标识了一个颜色属性，不同的颜色代表不同阶段，扫描过程中给与对象一个颜色，记录扫描位置，防止cpu时间片切换不需要重新扫描。
重新标记： 为了修正并发标记期间因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录。仍然存在Stop The World问题，这里会慢一些
并发清理： 标记结束之后开启用户线程，同时垃圾收集线程也开始对未标记的区域进行清除，此阶段若有新增对象则会被标记为黑色，不做任何处理

在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，不需要进行停顿。

应用场景：适用于注重服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，给用户带来更好的体验等场景下。如web程序、b/s服务
优点：
- 并发收集；
- STW时间相对短，低停顿；
缺点：
- 吞吐量低: 低停顿时间是以牺牲吞吐量为代价的，导致 CPU 利用率不够高。
- 内存碎片问题：CMS本质上是实现了标记清除算法的收集器，这意味着会产生内存碎片，当碎片化非常严重的时候，这时候有大对象进入无法分配内存时会触发FullGC，特殊场景下会使用Serial收集器，导致停顿不可控。
- 无法处理浮动垃圾，需要预留空间，可能出现 Concurrent Mode Failure。浮动垃圾是指并发清除阶段由于用户线程继续运行而产生的垃圾，这部分垃圾只能到下一次 GC 时才能进行回收。由于浮动垃圾的存在，因此需要预留出一部分内存，意味着 CMS 收集不能像其它收集器那样等待老年代快满的时候再回收。如果预留的内存不够存放浮动垃圾，就会出现 Concurrent Mode Failure，这时虚拟机将临时启用 Serial Old 来替代 CMS，会导致停顿时间更长

三色标记算法

三色标记

黑色：代表了自己已经被扫描完毕，并且自己的引用对象也已经确定完毕。
灰色：代表自己已经被扫描完毕了，但是自己的引用还没标记完。
白色：则代表还没有被扫描过。标记过程结束后，所有未被标记的对象都是不可达的，可以被回收。

三色标记算法的问题场景：当业务线程做了对象引用变更，会发生B对象不会被扫描，当成垃圾回收。

public class Demo3 {public static void main(String[] args) {R r = new R();r.a = new A();B b = new B();// GCroot遍历R， R为黑色， R下面的a引用链还未扫完置灰灰色，R.b无引用， 切换时间分片r.a.b = b;// 业务线程发生了引用改变， 原本r.a.b的引用置为nullr.a.b = null;// GC线程回来继续上次扫描，发现r.a.b无引用，则认为b对象无任何引用清除r.b = b;// GC 回收了b， 业务线程无法使用b}
}class R {A a;B b;
}class A {B b;
}class B {
}

当GC线程标记A时，CPU时间片切换，业务线程进行了对象引用改变，这时候时间片回到了GC线程，继续扫描对象A，发现A没有任何引用，则会将A赋值黑色扫描完毕，这样B则不会被扫描，会标记B是垃圾，在清理阶段将B回收掉，错误的回收正常的对象，发生业务异常。

CMS基于这种错误标记的解决方案是采取写屏障 + 增量更新Incremental Update ，在业务线程发生对象变化时，重新将R标识为灰色，重新扫描一遍，Incremental Update 在特殊场景下还是会产生漏标。即当黑色对象被新增一个白色对象的引用的时候，记录下发生引用变更的黑色对象，并将它重新改变为灰色对象，重新标记。

public class Demo3 {public static void main(String[] args) {// Incremental Update还会产生的问题R r = new R();A a = new A();A b = new A();r.a1 = a;// GC线程切换， r扫完a1， 但是没有扫完a2， 还是灰色r.a2 = b;// 业务线程发生引用切换， r置灰灰色（本身灰色）r.a1 = b;// GC线程继续扫完a2， R为黑色， b对象又漏了~}
}class R {A a1;A a2;
}class A {
}

当GC 1线程正在标记O，已经标记完O的属性 O.1，准备标记O.2时，业务线程把属性O,1 = B，这时候将O对象再次标记成灰色， GC 1线程切回，将O.2线程标记完成，这时候认为O已经全部标记完成，O标记为黑色， B对象产生了漏标， CMS针对Incremental Update产生的问题，只能在remark阶段，暂停所有线程，将这些发生过引用改变过的，重新扫描一遍。

吞吐量优先Parallel

多线程
堆内存较大，多核CPU
单位时间内，STW（stop the world，停掉其他所有工作线程）时间最短
JDK1.8默认使用的垃圾回收器

Parallel Scavenge 收集器

新生代收集器，基于复制算法实现的收集器。特点是吞吐量优先，故也称为吞吐量优先收集器，能够并行收集的多线程收集器，允许多个垃圾回收线程同时运行，降低垃圾收集时间，提高吞吐量。 Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量，高效率的利用 CPU 资源。 CMS 垃圾收集器关注点更多的是用户线程的停顿时间。

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 参数的值是一个大于0的毫秒数，收集器将尽量保证内存回收花费的时间不超过用户设定值。
-XX：GCTimeRatio 参数的值大于0小于100，即垃圾收集时间占总时间的比率，相当于吞吐量的倒数。

该收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量。还有一个值得关注的点是：GC自适应调节策略（与ParNew收集器最重要的一个区别）

GC自适应调节策略： Parallel Scavenge收集器可设置-XX:+UseAdptiveSizePolicy参数。当开关打开时不需要手动指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRation）、晋升老年代的对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等，虚拟机会根据系统的运行状况收集性能监控信息，动态设置这些参数以提供最优的停顿时间和最高的吞吐量，这种调节方式称为GC的自适应调节策略。