JVM 之GC

大约 42 分钟

一、垃圾回收概述

1 什么是垃圾

垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象，这个对象就是需要被回收的垃圾。
如果不及时对内存中的垃圾进行清理，那么这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序结束，被保留的空间就无法被其他对象使用。甚至可能导致内存溢出

垃圾收集，不是Java语言的伴生产物。早在1960年，弟们开始使用内存动态分配和垃圾收集技术的Lisp语言诞生
关于垃圾收集的问题
- 哪些内存需要回收？
- 什么时候回收
- 如何回收
垃圾收集机制是Java的招牌能力，极大地提高了开发效率。如今，垃圾收集几乎成为现代语言的标配，即使经过如此长时间的发展，Java的垃圾收集机制仍然在不断演进中，不同大小的设备，不同特征的应用场景，堆垃圾收集提出了新的挑战。

2 为什么需要GC

对于高级语言来说，一个基本认知是如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗完因为不断地分配内存空间而不进行回收，就好像不停地生产生活垃圾而从来不打扫一样
除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，以便JVM将整理出的内存分配给新的对象
随着应用程序所应付的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序的正常进行。而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。

3 Java 的垃圾回收

自动内存管理，无需开发人员手动参与内存的分配与回收，这样降低内存泄漏和内存溢出的风险。自动内存管理机制，将程序员从繁重的内存管理中释放出来，可以更专心地专注于业务开发

对于Java开发人员而言，自动内存管理就像是一个黑匣子，如果过度依赖于“自动”，那么这将会是一场灾难，最严重的就会弱化Java开发人员在程序出现内存溢出时定位问题和解决问题的能力。
此时，了解JVM的自动内存分配和内存回收原理就显得非常重要，只有在真正了解JVM是如何管理内存后，我们才能够在遇见0utOfMemoryError时快速地根据错误异常日志定位问题和解决问题。
当需要排查各种内存溢出、内存泄漏问题时，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就必须对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。

方法区和堆是GC的主要作用区域，堆是垃圾回收器的工作重点。

二、垃圾回收相关算法

1 标记阶段：引用计数算法

对每个对象保存一个整型的引用计数器属性。用于记录对象被引用的情况。
对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则的引用计数器就加1:当引用失效时，引用计数器就减1。只要对象A的引用计数器的值为0，即表示对象A不可能再被使用，可进行回收。
优点:实现简单，垃圾对象便于辨识;判定效率高，回收没有延迟性
缺点:
- 它需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加了存储空间的开销。
- 每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了时间开销。
- 引用计数器有一个严重的问题，即无法处理循环引用的情况。这是一条致命缺陷，导致在Java的垃圾回收器中没有使用这类算法。

2 标记阶段：可达性分析算法

所谓"GC Roots"根集合就是一组必须活跃的引用。

基本思路:

可达性分析算法是以根对象集合(GCRoots)为起始点，按照从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达
使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为引用链(Reference chain)
如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象已经死亡，可以标记为垃圾对象。
在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象。

GC Roots 包括以下几类元素：

虚拟机栈中引用的对象，各个线程被调用的方法使用到的参数、局部变量等
本地方法栈内JNI(通常说的本地方法)引用的对象
方法区中类静态属性引用的对象,比如：Java类的引用类型静态变量
方法区中常量引用的对象，比如:字符串常量池(String Table)里的引用
所有被同步锁synchronized持有的对象
Java虚拟机内部的引用
- 基本数据类型对应的class对象，一些常驻的异常对象(如:NullPointerException、0utofMemoryError)，系统类加载器

注意

如果要使用可达性分析算法来判断内存是否可回收，那么分析工作必须在一个能保障一致性的快照中进行。这点不满足的话分析结果的准确性就无法保证。
这点也是导致GC进行时必须“Stop The World"的一个重要原因。

3 对象的finalization机制

Java语言提供了对象终止（finalization）机制来允许开发人员提供对象被销毁之前的自定义处理逻辑
垃圾回收此对象之前，总会先调用这个对象的finalize()方法
finalize()方法允许在子类中重写，用于在对象被回收时进行资源的释放，通常在这个方法中进行资源的释放和清理工作，比如关闭文件、关闭套接字和数据库连接等。
永远不要主动调用某个对象的finaliza()方法，应该交由垃圾回收器调用
- finalize()时可能导致对象复活
- finalize()方法的执行时间是没有保障的，它是由GC线程决定
- 一个糟糕的finalize()方法会严重影响GC的性能
由于finalize()方法的存在，虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态：
- 可触及的：从根节点开始，可以达到这个对象
- 可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象可能在finalize()中复活
- 不可触及的：对象的finalize()被调用，并且没有复活，那么就会进入不可触及状态。不可触及的对象不可能复活，因为finalize()只会被调用一次
只有对象处于不可触及的状态才可以被回收

如何判断对象是否可回收，要经历两次过程

如果对象到GC Roots 没有引用链，则进行第一次标记
进行筛选，判断此对象是否有必要执行finalize()方法
- 如果对象没有重写finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，则虚拟机视为“没有必要执行”，对象被判定为不可触及的
- 如果对象重写了finalize()方法，且还未执行过，那么对象会被插入到F-Queue队列中，由一个虚拟机自动创建的，低优先级的Finalizer线程触发其finalize()方法
- finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，稍后GC会对F-Queue队列中的对象进行第二次标记。如果对象在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系，那么在第二次标记时，对象会被移出“即将回收”集合。之后，对象再次出现没有引用存在的情况，在这个情况下，finalize()方法不会被再次调用，对象会直接变成不可触及状态。也就是说，一个对象的finalize()方法只能被调用一次

4 MAT的GC Roots溯源

简介：MAT是Memory Analyzer的简称，它是一款功能强大的Java堆内存分析器用于查找内存泄漏以及查看内存消耗情况。MAT是基于Eclipse开发的，是一款免费的性能分析工具。
MAT地址

5 清除阶段：标记-清除算法

当成功区分出内存中存活对象和死亡对象后，GC接下来的任务就是执行垃圾回收，释放掉无用对象所占用的内存空间，以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存。目前在JVM中比较常见的三种垃圾收集算法是

标记一清除算法(Mark-Sweep)
复制算法(Copying)
标记-压缩算法(Mark-Compact)

执行过程：

当堆中的有效内存空间(available memory)被耗尽的时候，就会停止整个程序(也被称为stop the world)，然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

标记：Collector从引用根节点开始遍历，标记所有被引用的对象。一般是在对象的Header中记录为可达对象。
清除：Collector对堆内存从头到尾进行线性的遍历，如果发现某个对象在其Header中没有标记为可达对象，则将其回收。

缺点

效率不算高
在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，导致用户体验差
这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，产生内存碎片。需要维护一个空闲列表

注意:何为清除?

这里所谓的清除并不是真的置空，而是把需要清除的对象地址保存在空闲的地址列表里。下次有新对象需要加载时，判断垃圾的位置空间是否够如果够，就覆盖存放。

6 清除阶段：复制算法

核心思想：将可用的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收。

优点：

没有标记和清除过程，实现简单，运行高效
复制过去以后保证空间的连续性，不会出现“碎片”问题，

缺点：

此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍的内存空间。
对于G1这种分拆成为大量reqion的GC，复制而不是移动，意味着GC需要维护region之间对象引用关系，不管是内存占用或者时间开销也不小。

特别的：如果系统中的垃圾对象很多，复制算法不会很理想，复制算法需要复制的存活对象数量并不会太大或者说非常低才行。

应用场景：在新生代，对常规应用的垃圾回收，一次通常可以回收70%-99号的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。

7 清除阶段：标记-压缩算法

标记-压缩算法的最终效果等同于标记-清除算法执行完成后，再进行一次内存碎片整理，因此，也可以把它称为标记-清除-压缩(Mark-SweepCompact)算法
二者的本质差异在于标记-清除算法是一种非移动式的回收算法，标记-压缩是移动式的。是否移动回收后的存活对象是一项优缺点并存的风险决策
可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

优点：

消除了标记-清除算法当中，内存区域分散的缺点，我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可。
消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。

缺点：

从效率上来说，标记-整理算法要低于复制算法
移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址。
移动过程中，需要全程暂停用户应用程序。即:STW

8 分代收集算法

总结标记-清除、标记-整理、复制算法

	Mark-Sweep	Mark-Compact	Copying
速度	中等	最慢	最快
空间开销	少（但会产生碎片）	少（不堆积碎片）	通常需要存活对象的2倍空间大小（不堆积碎片）
移动对象	否	是	是

前面所有这些算法中，并没有一种算法可以完全替代其他算法，它们都具有自己独特的优势和特点。分代收集算法应运而生。没有最优的算法，只有最合适的算法

分代收集算法，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。
在Java程序运行的过程中，会产生大量的对象，其中有些对象是与业务信息相关，比如Http请求中的session对象、线程、Socket连接，这类对象跟业务直接挂钩，因此生命周期比较长。但是还有一些对象，主要是程序运行过程中生成的临时变量，这些对象生命周期会比较短，比如：String对象，由于其不变类的特性，系统会产生大量的这些对象，有些对象甚至只用一次即可回收。
几乎所有的GC都是采用分代收集算法执行垃圾回收的。

9 增量收集算法

上述现有的算法，在垃圾回收过程中，应用软件将处于一种Stop The World的状态。在Stop The World状态下，应用程序所有的线程都会挂起，暂停一切正常的工作，等待垃圾回收的完成。如果垃圾回收时间过长，应用程序会被挂起很久，将严重影响用户体验或者系统的稳定性。为了解决这个问题，即对实时垃圾收集算法的研究直接导致了增量收集算法的诞生。

基本思想

如果一次性将所有的垃圾进行处理，需要造成系统长时间的停顿，那么就可以让垃圾收集线程和应用程序线程交替执行。每次，垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用程序线程。依次反复，直到垃圾收集完成。
总的来说，增量收集算法的基础仍是传统的标记-清除和复制算法。增量收集算法通过对线程间冲突的妥善处理，允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记清理或复制工作。

缺点：

使用这种方式，由于在垃圾回收过程中，间断性地还执行了应用程序代码所以能减少系统的停顿时间。但是，因为线程切换和上下文转换的消耗，会使得垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量的下降

10 分区算法

一般来说，在相同条件下，堆空间越大，次GC时所需要的时间就越长，有关GC产生的停顿也越长。为了更好地控制GC产生的停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个小块，根据目标的停顿时间，每次合理地回收若干个小区间（Region），而不是整个堆间，从而减少一次GC所产生的停顿。

分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分（新生代、老年代），分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间。

每一个小区间都独立使用，独立回收。这种算法的好处是可以控制一次回收多少个小区间。

三、垃圾回收器

1 垃圾回收器的分类

垃圾收集器没有在JVM虚拟机规范中进行过多的规定，可以由不同的厂商、不同版本的JVM来实现。
由于JDK的版本处于高速迭代过程中，因此Java发展至今已经衍生了众多的GC版本。
从不同角度分析垃圾收集器，可以将GC分为不同的类型

1.1 按线程数分，可用分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器

串行回收指的是在同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束。
- 在诸如单CPU处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合，串行回收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。所以，串行回收默认被应用在客户端的Client模式下的IJVM中
- 在并发能力比较强的CPU上，并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器。
和串行回收相反，并行收集可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用“Stop The World”机制。

1.2 按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。

并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间
独占式垃圾回收器(Stop The World)一旦运行，就停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。

1.3 按工作的内存区间分，又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器

2 评估GC的性能指标

吞吐量：运行用户代码的时间占总运行时间的比例(总运行时间:程序的运行时间+内存回收的时间)
垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例
暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间。
收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率
内存占用：Java 堆区所占的内存大小
快速：一个对象从诞生到被回收所经历的时间

简单来说，主要抓住两点：

吞吐量
暂停时间

现在标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间

2.1 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，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)
- 比如:虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。
这种情况下，应用程序能容忍较高的暂停时间，因此，高吞吐量的应用程序有更长的时间基准，快速响应是不必考虑的。
吞吐量优先，意味着在单位时间内，STW的时间最短

2.2 暂停时间（低延迟）

“暂停时间”是指一个时间段内应用程序线程暂停，让GC线程执行的状态
- 例如，GC期间100毫秒的暂停时间意味着在这100毫秒期间内没有应用程序线程是活动的。
暂停时间优先，意味着尽可能让单次STW的时间最短

3 常见的垃圾收集器有哪些

3.1 垃圾收集器的发展史

1999年随JDK1.3.1一起来的是串行方式的SerialGC它是第一款GC。ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多线程版本
2002年2月26日，Parallel Gc和Concurrent Mark Sweep GC跟随JDK1.4.2-起发布
Parallel GC在JDK6之后成为HotSpot默认GC
2012年，在JDK1.7u4版本中，G1可用。
2017年，JDK9中G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。
2018年3月，JDK10中G1垃圾回收器的并行完整垃圾回收，实现并行性来改善最坏情况下的延迟。
2018年9月，JDK11发布。引入Epsilon垃圾回收器，又被称为"No-Op(无操作)"回收器。同时，引入ZGC:可伸缩的低延迟垃圾回收器(Experimental)。
2019年3月，JDK12发布。增强G1，自动返回未用堆内存给操作系统。同时，引入Shenandoah GC:低停顿时间的GC(Experimental)。
2019年9月，JDK13发布。增强ZGC，自动返回未用堆内存给操作系统。
2020年3月，JDK14发布。删除CMS垃圾回收器。扩展ZGC在macOS和windows上的应用
。。。。

3.2 经典的垃圾回收器

运行方式	名称
串行回收器	Serial、Serial Old
并行回收器	ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old
并发回收器	CMS、G1

3.3 经典垃圾回收器与垃圾分代的关系

区域（堆）	垃圾收集器
Young Gen	Serial 、Parallel Scavengen 、ParNew 、G1
Old Gen	Serial Old 、Parallel Old 、CMS 、G1

3.4 垃圾收集器的组合关系

jdk1.8及之后不考虑虚线的组合

4 Serial 回收器：串行回收

4.1 简介

serial收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代唯一的选择。
Serial收集器作为HotSpot中Client模式下的默认新生代垃圾收集器
Serial 收集器采用复制算法、串行回收和"Stop-The-World"机制的方式执行内存回收。
除了年轻代之外，Serial收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial Old收集器。Serial Old 收集器同样也采用了串行回收和"stop the world"机制，只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算法。
- Serial Old是运行在Client模式下默认的老年代的垃圾回收器
- Serial Old在Server模式下主要有两个用途:
  - ①与新生代的ParallelScavenge配合使用
  - ②作为老年代CMS收集器的后备垃圾收集方案

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，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束(StopThe World)。

优势：简单而高效(与其他收集器的单线程比)，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。运行在Client模式下的虚拟机是个不错的选择
在用户的桌面应用场景中，可用内存一般不大(几十MB至一两百MB)可以在较短时间内完成垃圾收集(几十ms至一百多ms)，只要不频繁发生，使用串行回收器是可以接受的。

4.2 使用方式

在HotSpot虚拟机中，使用-XX:+UseSerialGC 参数可以指定年轻代和老年代都使用串行收集器。等价于新生代用Serial GC，且老年代用Serial Old GC

总结：在限定单核cpu才可以用,现在都不是单核的了。对于交互较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能接受的。一般在JavaWeb应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的。

5 ParNew回收器：并行回收

5.1 简介

如果说Serial GC是年轻代中的单线程垃圾收集器，那么ParNew收集器则是serial收集器的多线程版本。Par是Parallel的缩写，New只能处理的是新生代
ParNew 收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，与Serial垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、"Stop-the-world"机制。
ParNew 是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器
对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。
对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。(CPU并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源)
ParNew收集器运行在多CPU的环境下，由于可以充分利用多CPU、多核心等物理硬件资源优势，可以更快速地完成垃圾收集，提升程序的吞吐量。
但是在单个CPU的环境下，ParNew收集器不比Serial收集器更高效。虽然Serial收集器是基于串行回收，但是由于CPU不需要频繁地做任务切换，因此可以有效避免多线程交互过程中产生的一些额外开销。
除Serial外，目前只有ParNewGC能与CMS收集器配合工作

5.2 使用方式

通过选项-XX:+UseParNewGC手动指定使用ParNew收集器执行内存回收任务。它表示年轻代使用并行收集器，不影响老年代。
-XX:ParallelGCThreads限制线程数量，默认开启和CPU数据相同的线程数。

6 Parallel Scavenge回收器：吞吐量优先

6.1 简介

HotSpot的年轻代中除了拥有ParNew收集器是基于并行回收的以外，Parallel scavenge收集器同样也采用了复制算法、并行回收和"Stop The World"机制。
和ParNew收集器不同，ParallelScavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量，它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器
自适应调节策略也是Parallel Scavenge与ParNew一个重要区别。
高吞吐量则可以高效率地利用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。因此，常见在服务器环境中使用。例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序。
Parallel 收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallel Old收集器，用来代替老年代的Serial Old收集器
Parallel Old收集器采用了标记-压缩算法，但同样也是基于并行回收和"Stop-The-World"机制。
在程序吞吐量优先的应用场景中，Parallel 收集器和Parallel Old收集器的组合，在Server模式下的内存回收性能很不错。
在Java8中，默认是此垃圾收集器

6.2 参数配置

XX:+UseParallelGC 手动指定新生代使用Parallel并行收集器执行内存回收任务。
XX:+UseParallelOldGC 手动指定老年代都是使用并行回收收集器
- 分别适用于新生代和老年代。默认idk8是开启的。
- 上面两个参数，默认开启一个，另一个也会被开启。(互相激活)
-XX:ParallelccThreads 设置年轻代并行收集器的线程数。一般地，最好与CPU数量相等，以避免过多的线程数影响垃圾收集性能。
- 在默认情况下，当CPU 数量小于8个，ParallelGCThreads 的值等于CPU 数量。
- 当CPU数量大于8个，ParallelGCThreads的值等于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MaxGCPauseMills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，注重高并发，整体的吞吐量。所以服务器端适合Parallel，进行控制。
- 该参数使用需谨慎。
-XX:GCTimeRatio 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。
- 取值范围(0.100)。默认值99，也就是垃圾回收时间不超过1%。
- 与前一个-XX:MaxGCPauseMillis参数有一定矛盾性。暂停时间越长，Radio参数就容易超过设定的比例。
-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(MaxGCPauseMills)，让虚拟机自己完成调优工作，

7.1 简介

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(Concurrent-Mark-Sweep)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同时工作。
CMS收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时间越短(低延迟)就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。
- 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的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验CMS收集器就非常符合这类应用的需求
CMS的垃圾收集算法采用标记-清除算法，并且也会"Stop-The-World"
CMS作为老年代的收集器，却无法与DK1.4.0中已经存在的新生代收集器Parallel scavenge 配合工作，所以在JDK 1.5中使用CMS来收集老年代的时候，新生代只能选择ParNew或者seria1收集器中的一个。
在G1出现之前，CMS使用还是非常广泛的。一直到今天，仍然有很多系统使用CMS GC。

7.2 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4个主要阶段，。

初始标记(Initial-Mark)：在这个阶段中，程序中所有的工作线程都将会因为“Stop-The-World”机制而出现短暂的暂停，这个阶段的主要任务仅仅只是标记出GC Roots能直接关联到的对象。一旦标记完成之后就会恢复之前被暂停的所有应用线程。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)：从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发运行。
重新标记(Remark)：由于在并发标记阶段中，程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或者交叉运行，因此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通常会比初始标记阶段稍长一些，但也远比并发标记阶段的时间短。
并发清除(Concurrent-Sweep)：此阶段清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，释放内存空间。由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的

。
另外，由于在垃圾收集阶段用户线程没有中断，所以在CMS回收过程中，还应该确保应用程序用户线程有足够的内存可用。因此，CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，而是，以确保应用程序在CMS工作过程中依然有足够的空间支持应用程序运行。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure"失败，这时虚拟机将启动后备预案:临时启用Serial Old 收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。
CMS收集器的垃圾收集算法采用的是标记-清除算法，这意味着每次执行完内存回收后，由于被执行内存回收的无用对象所占用的内存空间极有可能是不连续的一些内存块，不可避免地将会产生一些内存碎片。那么CMS在为新对象分配内存空间时，将无法使用指针碰撞技术，而只能够选择空闲列表执行内存分配

7.3 优点

并发收集
低延迟

7.4 弊端

会产生，导致并发清除后，用户线程可用的空间不足。在无法分配大对象的情况下，不得不提前触发Full GC。
CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户停顿，但是会因为。
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 的产生。在并发标记阶段由于程序的工作线程和垃圾收集线程是同时运行或者交叉运行的，那么在，从而只能在下一次执行GC时释放这些之前未被回收的内存空间。

7.5 使用参数

-XX:+UseConcMarkSweepGC 手动指定使用CMS 收集器执行内存回收任务。开启该参数后会自动将-XX:+UseParNewGC打开。即:ParNew(Young)+CMS(Old)+Serial Old的组合。
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 用于指定执行完Full GC后对内存空间进行压缩整理，以此避免内存碎片的产生。不过由于内存压缩整理过程无法并发执行，所带来的问题就是停顿时间变得更长了。
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 设置在执行多少次Full GC后对内存空间进行压缩整理
-XX:ParallelCMSThreads 设置CMS的线程数量CMS 默认启动的线程数是(ParallelGCThreads+3)/4，ParallelGCThreads 是年轻代并行收集器的线程数。当CPU资源比较紧张时，受到CMS收集器线程的影响，应用程序的性能在垃圾回收阶段可能会非常糟糕。
-XX:CMSlnitiatingOccupanyFraction 设置堆内存使用率的值一旦达到该阈值，便开始进行回收。
- JDK5及以前版本的默认值为68,即当老年代的空间使用率达到68%时，会执行一次CMS 回收。JDK6及以上版本默认值为92%
- 如果内存增长缓慢，则可以设置一个稍大的值，大的值可以有效降低CMS的触发频率，减少老年代回收的次数可以较为明显地改善应用程序性能。反之，如果应用程序内存使用率增长很快，则应该降低这个值，以避免频繁触发老年代串行收集器。因此通过该选项便可以有效降低Full GC 的执行次数。

7.6 小结

如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选SerialGC
如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选ParallelGC
如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS

：区域化分代式

8.1 简介

G1是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域(Region)(物理上不连续的)。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等。
G1 GC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(回收所获得的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。
G1(Garbage-First)是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间的同时，还兼具高吞吐量的性能特征。
在JDK1.7版本正式启用，移除了Experimental的标识，是JDK9以后的默认垃圾回收器，取代了CMS 回收器以及Parallel+Parallel Old组合:被Oracle官方称为"全功能的垃圾收集器"
与此同时，CMS已经在jdk9中被标记为废弃(deprecated)。在jdk8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用-XX:+UseG1GC来启用。

8.2 优势

并行与并发
- 并行性:G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程STW
- 并发性:G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况
分代收集
- 从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小
- 固定数量。将堆空间分为若干个区域(Region),这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。
- 对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代
空间整合
G1将内存划分为一个个的Region。内存的回收是以Region作为基本单位的。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是**标记-压缩(Mark-Compact)**算法，两种算法都可以避免内存碎片。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。。
可预测的停顿时间模型
这是 G1相对于CMS的另一大优势，G1除了追求低停顿外，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。
- 由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
- G1 跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的价值大小(回收所获得的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，。
- 相比于CMS GC，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。

8.3 劣势

相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中，G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用(Footprint)还是程序运行时的额外执行负载(overload)都要比CMS要高。从经验上来说，在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上则发挥其优势。。

8.4 参数设置

-XX:+UseG1GC 手动指定使用G1收集器执行内存回收任务。
-XX:G1HeapRegionSize 设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB之间，目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。
-XX:MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大GC停顿时间指标(JVM会尽力实现，但不保证达到)。默认值是200ms
-XX:ParallelGCThread 设置STW工作线程数的值，最多设置为8
-XX:ConcGCThreads 设置并发标记的线程数,将n设置为并行垃圾回收线程数(ParallelGCThreads)的1/4左右
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 设置触发并发GC周期的Java堆占用率阈值。超过此值，就触发GC。默认值是45

8.5 G1 的调优步骤

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优:

第一步:开启G1垃圾收集器

第二步:设置堆的最大内存

第三步:设置最大的停顿时间

G1中提供了三种垃圾回收模式:YoungGC、MixedGC和Full GC，在不同的条件下被触发。

年轻代大小
- 避免使用-Xmn或-XX:NewRatio等相关选项显式设置年轻代大小
- 固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标
暂停时间目标不要太过严苛
- G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间
- 评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这些会直接影响到吞吐量

8.6 G1 的适用场景

面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。(在普通大小的堆里表现并不惊熹)
最主要的应用是需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案;如:在堆大小约6GB或更大时，可预测的暂停时间可以低于8.5秒;(G1通过每次只清理一部分而不是全部的Region的增量式清理来保证每次GC停顿时间不会过长)。
用来替换掉JDK1.5中的CMS收集器;在下面的情况时，使用G1可能比CMS好:
①超过50%的Java堆被活动数据占用:
②对象分配频率或年代提升频率变化很大;
③GC停顿时间过长(长于0.5至1秒)。
HotSpot垃圾收集器里，除了G1以外，其他的垃圾收集器使用内置的JVM线程执行GC的多线程操作，而G1 GC可以采用应用线程承担后台运行的GC工作，即当JVM的GC线程处理速度慢时，系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。

化整为零

使用 G1 收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB，2MB，4MB，8MB，16MB，32MB。可以通过XX:G1HeapRegionsize设定。

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它们都是一部分Region(不需要连续)的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑上的连续。

Region有可能属于 Eden，Survivor 或者 Old 内存区域。但是一个Region只可能属于一个角色(使用期间不可变，被回收可以变为其他角色)。图中的E区表示该Region属于Eden内存区域，S表示属于survivor内存区域，O表示属于Old内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。
G1 垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做humongous 内存区域，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过1.5个region，就放到H。
- 设置H的原因：对于堆中的大对象，默认直接会被分配到老年代，但是如果它是一个短期存在的大对象就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区它用来专门存放大对象。如果一个H区装不下一个大对象，那么G1会寻找连续的H区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。G1的大多数行为都把H作为老年代的一部分来看待。

8.8 G1 的回收过程

G1 GC的垃圾回收过程主要包括三个环节：新生代GC（Young GC）；老年代并发标记过程（Concurrent Marking）；混合回收（Mixed GC）。(单线程、独占式、高强度的Fu11 GC还是继续存在的。它针对GC的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。)

。

- G1的年轻代收集阶段是一个并行的独占式收集器。在年轻代回收期，G1 GC暂停所有应用程序线程(SWT )，启动多线程执行年轻代回收。然后从
当堆内存使用达到一定值(默认45%)时，开始老年代并发标记过程
。对于一个混合回收期，G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同，老年代的G1回收器和其他GC不同，。同时，这个老年代Region是和年轻代一起被回收的

9 如何选择合适的垃圾回收器

如果内存小于100M，使用串行收集器
如果是单核、单机程序，并且没有停顿时间的要求，串行收集器
如果是多CPU、需要高吞吐量、允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选择
如果是多CPU、追求低停顿时间，需快速响应(比如延迟不能超过1秒，如互联网应用)，使用并发收集器。官方推荐G1，性能高。