JVM进阶之GC（四）垃圾收集器

Myth丶恋晨 2022-05-24 07:35 335阅读 0赞

上一篇讲了下[垃圾回收算法][Link 1]，今天就来说说垃圾回收算法的具体实现吧–垃圾收集器（本文讨论的是JDK1.7版本的HotSpot虚拟机）。

## 垃圾收集器 ##

HotSpot虚拟机提供的收集器如下图：   
![垃圾收集器][SouthEast]   
新生代的垃圾收集器有：Serial、ParNew、Parallel Scavenge；   
老年代的垃圾收集器有：CMS、Serial Old、Parallel Old   
G1收集器因运用的还不是很广泛，不予讨论，有兴趣的可自行百度。   
收集器之间有连线，表示他们可以搭配使用。为什么需要搭配使用呢？而且收集器还这么多？应该说有什么样的需求就有什么样的产品，垃圾收集器也是按需设计的，没有最好的产品，只有最合适的。那么各个收集器的实现原理是怎样的，有什么特点呢？下面一一来讨论。

### Serial与Serial Old 收集器 ###

Serial，翻译成中文的意思是“`串行`”，顾名思义，这就是个单线程的收集器。仅仅使用一个线程去执行垃圾收集任务，而且收集任务期间，必须停掉其他的工作线程，直到垃圾收集完成。`垃圾回收时停掉其他的线程的现象，就称为“Stop The World(STW)”`。打个比方，我清扫房间的时候，任何人都不能在家里活动，以免给我捣乱，不然清扫工作怎么也没法做完。STW就是这么个意思，至于暂停应用多久，得看具体垃圾的情况了。   
Serial收集器是收集新生代的收集器，而Serial Old收集器是收集老年代的，上图也看到了它们之间有连线可搭配使用，看如下它们搭配使用的运行图：   
![Serial与Serial Old搭配使用][Serial_Serial Old]   
①：新生代使用Serial收集器，采用复制算法，会暂停其他用户线程（STW）专心做垃圾回收。   
②：老年代使用Serial Old收集器，采用标记整理算法，会发生STW。

### ParNew 收集器 ###

ParNew其实就是Serial的多线程版本，在新生代中使用多条线程进行垃圾回收。看如下逻辑图就一目了然了：   
![ParNew收集器][ParNew]   
①：新生代使用ParNew收集器，可以看到有多条GC线程在进行垃圾回收，采用复制算法，会暂停其他用户线程（STW）专心做垃圾回收。   
②：老年代使用Serial Old收集器，采用标记整理算法，会发生STW。

### Parallel Scavenge 收集器 ###

Parallel Scavenge 收集器也是新生代收集器，也是使用复制算法的多线程收集器。   
看上去和ParNew收集器差不多，但是Parallel Scavenge最大的特点是更关注`吞吐量`。   
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：

> 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

打个比方，虚拟机运行了100分钟，垃圾回收用了2分钟，那么吞吐量就是98%。   
按照公式来看，吞吐量越高的虚拟机，自然是垃圾收集时间也越短，理所当然的用户体验也要更好。`Parallel Scavenge收集器会根据当前系统的运行情况，动态调整某些参数来提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量`，这就是GC的自适应调节策略，这也是其与ParNew收集器最明显的区别。

### Parallel Old 收集器 ###

Parallel Old 是 Parallel Scavenge收集器的老年代版本，运用多线程和标记整理算法收集。从最上面的搭配图也可以看到，Parallel Old 只能与Parallel Scavenge配对使用。这样的组合，在注重`吞吐量和CPU资源`的场合使用比较合适。如下是逻辑运行图：   
![Parallel Old收集器][Parallel Old]   
①：新生代使用Parallel Scavenge收集器，可以看到有多条GC线程在进行垃圾回收，采用复制算法，会暂停其他用户线程（STW）专心做垃圾回收。   
②：老年代使用Parallel Old收集器，使用多线程采用标记整理算法，会发生STW。

### CMS 收集器 ###

CMS收集器是一种`以获取最短回收停顿时间为目标`的收集器。在B/S架构模型的网站上，运用CMS收集器十分广泛，因为网站上更希望停顿越短越好，用户体验才能更好。   
CMS收集器是基于标记清除算法实现的，但是其运行过程相对来说更复杂了，整个过程分成下图4个步骤：   
![CMS收集过程][CMS]

*  ①：初始标记（initial mark）   
    在图中可以看出这个步骤是单线程处理的，并且用户线程并未运行，是因为出现了STW。这个过程只是`标记一下GC Roots能直接关联到的对象`，速度很快。
 *  ②：并发标记（concurrent mark）   
    这个阶段就是进行GC Roots Tracing过程，可以看出GC线程与用户线程并发工作，所以并发标记过程并不影响用户线程的使用。
 *  ③：重新标记（remark）   
    重新标记阶段是为了修正并发标记期间，因用户线程继续运行导致标记产生变动的那一部分对象的标记。看起来有点绕，其实意思就是在并发标记时，用户线程也会产生需要标记的对象，这部分对象不能漏了标记，所以就需要重新标记过程。在图中可以看到，没有用户线程在运行，说明需要STW。
 *  ④：并发清除（concurrent sweep）   
    并发清除这个阶段看图也能类比了，有GC线程与用户线程并发运行，GC线程清理掉那些标记的对象，用户线程正常运行。

整体来看，CMS收集器的垃圾回收过程是与用户线程一起并发执行的。   
但是CMS收集器还是有一下三个缺点：

1.  因为是使用并发收集，虽然不会导致用户线程停顿，但是会占用一部分线程而导致应用程序变慢，总的吞吐量会降低。
2.  CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的发生。因为在并发清理阶段，用户线程还在运行，自然就还有新的垃圾不断产生，这部分垃圾出现在标记过程之后，CMS也束手无策，只能等待下次GC时再清理，这一部分垃圾就叫“浮动垃圾”。
3.  CMS是基于标记清除算法实现的，前面的文章也提到过标记清除算法的缺点，就是会产生大量的空间碎片。空间碎片过多时，就会给大对象的空间分配带来麻烦。比如老年代有足够的空间，但是找不到连续的足够大的空间，而不得不触发一次Full GC。为了解决这个问题，CMS收集器提供了-`XX:+UseCMSFullGCsBeforeCompaction`参数，用于设置执行了多少次不压缩的FGC后来一次碎片整理（默认是0，每次进入FGC时都进行碎片整理）。

虽然CMS有几个缺点，但是进行合理的参数配置，在老年代的垃圾回收上还是有不俗的表现。目前的主流搭配使用是ParNew+CMS收集（譬如我们公司。。）。

好了，今天就到这里，下期将谈谈对象的内存分配和回收策略。

[Link 1]: http://blog.csdn.net/u011519624/article/details/79156767
[SouthEast]: /images/20220524/59449f364e114343a10114097c641e32.png
[Serial_Serial Old]: /images/20220524/37ed0f3e93334a1d85f35e255b1d2756.png
[ParNew]: /images/20220524/fae8f3f0ff404378bebfc5309ed68c8b.png
[Parallel Old]: /images/20220524/7c55d9df53984631a55976cbcb7f0393.png
[CMS]: /images/20220524/c31f4f8dd44945128eaa9c60a80950fa.png