JVM有哪些垃圾收集器

這篇文章給大家分享的是有關(guān)JVM有哪些垃圾收集器的內(nèi)容。小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，一起跟隨小編過來看看吧。

如果說收集算法是內(nèi)存回收的方法論，那么垃圾收集器就是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)。Java虛擬機(jī)規(guī)范中對垃圾收集器應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)并沒有任何規(guī)定，因此不同的廠商、版本的虛擬機(jī)所提供的垃圾收集器都可能會(huì)有很大差別，并且一般都會(huì)提供參數(shù)供用戶根據(jù)自己的應(yīng)用特點(diǎn)和要求組合出各個(gè)年代所使用的收集器。接下來討論的收集器基于JDK1.7 Update 14 之后的HotSpot虛擬機(jī)（在此版本中正式提供了商用的G1收集器，之前G1仍處于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)），該虛擬機(jī)包含的所有收集器如下圖所示：

上圖展示了7種作用于不同分代的收集器，如果兩個(gè)收集器之間存在連線，就說明它們可以搭配使用。虛擬機(jī)所處的區(qū)域，則表示它是屬于新生代收集器還是老年代收集器。Hotspot實(shí)現(xiàn)了如此多的收集器，正是因?yàn)槟壳安o完美的收集器出現(xiàn)，只是選擇對具體應(yīng)用最適合的收集器。

相關(guān)概念

并行和并發(fā)

• 并行（Parallel）：指多條垃圾收集線程并行工作，但此時(shí)用戶線程仍然處于等待狀態(tài)。

• 并發(fā)（Concurrent）：指用戶線程與垃圾收集線程同時(shí)執(zhí)行（但不一定是并行的，可能會(huì)交替執(zhí)行），用戶程序在繼續(xù)運(yùn)行。而垃圾收集程序運(yùn)行在另一個(gè)CPU上。

吞吐量（Throughput）

吞吐量就是CPU用于運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間與CPU總消耗時(shí)間的比值，即

吞吐量 = 運(yùn)行用戶代碼時(shí)間 /（運(yùn)行用戶代碼時(shí)間 + 垃圾收集時(shí)間）。

假設(shè)虛擬機(jī)總共運(yùn)行了100分鐘，其中垃圾收集花掉1分鐘，那吞吐量就是99%。

Minor GC 和 Full GC

• 新生代GC（Minor GC）：指發(fā)生在新生代的垃圾收集動(dòng)作，因?yàn)镴ava對象大多都具備朝生夕滅的特性，所以Minor GC非常頻繁，一般回收速度也比較快。具體原理見上一篇文章。

• 老年代GC（Major GC / Full GC）：指發(fā)生在老年代的GC，出現(xiàn)了Major GC，經(jīng)常會(huì)伴隨至少一次的Minor GC（但非絕對的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接進(jìn)行Major GC的策略選擇過程）。Major GC的速度一般會(huì)比Minor GC慢10倍以上。

新生代收集器

Serial收集器

Serial（串行）收集器是最基本、發(fā)展歷史最悠久的收集器，它是采用復(fù)制算法的新生代收集器，曾經(jīng)（JDK 1.3.1之前）是虛擬機(jī)新生代收集的唯一選擇。它是一個(gè)單線程收集器，只會(huì)使用一個(gè)CPU或一條收集線程去完成垃圾收集工作，更重要的是它在進(jìn)行垃圾收集時(shí)，必須暫停其他所有的工作線程，直至Serial收集器收集結(jié)束為止（“Stop The World”）。這項(xiàng)工作是由虛擬機(jī)在后臺自動(dòng)發(fā)起和自動(dòng)完成的，在用戶不可見的情況下把用戶正常工作的線程全部停掉，這對很多應(yīng)用來說是難以接收的。

下圖展示了Serial 收集器（老年代采用Serial Old收集器）的運(yùn)行過程：

為了消除或減少工作線程因內(nèi)存回收而導(dǎo)致的停頓，HotSpot虛擬機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)在JDK 1.3之后的Java發(fā)展歷程中研發(fā)出了各種其他的優(yōu)秀收集器，這些將在稍后介紹。但是這些收集器的誕生并不意味著Serial收集器已經(jīng)“老而無用”，實(shí)際上到現(xiàn)在為止，它依然是HotSpot虛擬機(jī)運(yùn)行在Client模式下的默認(rèn)的新生代收集器。它也有著優(yōu)于其他收集器的地方：簡單而高效（與其他收集器的單線程相比），對于限定單個(gè)CPU的環(huán)境來說，Serial收集器由于沒有線程交互的開銷，專心做垃圾收集自然可以獲得更高的單線程收集效率。

在用戶的桌面應(yīng)用場景中，分配給虛擬機(jī)管理的內(nèi)存一般不會(huì)很大，收集幾十兆甚至一兩百兆的新生代（僅僅是新生代使用的內(nèi)存，桌面應(yīng)用基本不會(huì)再大了），停頓時(shí)間完全可以控制在幾十毫秒最多一百毫秒以內(nèi)，只要不頻繁發(fā)生，這點(diǎn)停頓時(shí)間可以接收。所以，Serial收集器對于運(yùn)行在Client模式下的虛擬機(jī)來說是一個(gè)很好的選擇。

ParNew 收集器

ParNew收集器就是Serial收集器的多線程版本，它也是一個(gè)新生代收集器。除了使用多線程進(jìn)行垃圾收集外，其余行為包括Serial收集器可用的所有控制參數(shù)、收集算法（復(fù)制算法）、Stop The World、對象分配規(guī)則、回收策略等與Serial收集器完全相同，兩者共用了相當(dāng)多的代碼。

ParNew收集器的工作過程如下圖（老年代采用Serial Old收集器）：

ParNew收集器除了使用多線程收集外，其他與Serial收集器相比并無太多創(chuàng)新之處，但它卻是許多運(yùn)行在Server模式下的虛擬機(jī)中首選的新生代收集器，其中有一個(gè)與性能無關(guān)的重要原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能和CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）配合工作，CMS收集器是JDK 1.5推出的一個(gè)具有劃時(shí)代意義的收集器，具體內(nèi)容將在稍后進(jìn)行介紹。

ParNew 收集器在單CPU的環(huán)境中絕對不會(huì)有比Serial收集器有更好的效果，甚至由于存在線程交互的開銷，該收集器在通過超線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)CPU的環(huán)境中都不能百分之百地保證可以超越。在多CPU環(huán)境下，隨著CPU的數(shù)量增加，它對于GC時(shí)系統(tǒng)資源的有效利用是很有好處的。它默認(rèn)開啟的收集線程數(shù)與CPU的數(shù)量相同，在CPU非常多的情況下可使用-XX:ParallerGCThreads參數(shù)設(shè)置。

Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge收集器也是一個(gè)并行的多線程新生代收集器，它也使用復(fù)制算法。Parallel Scavenge收集器的特點(diǎn)是它的關(guān)注點(diǎn)與其他收集器不同，CMS等收集器的關(guān)注點(diǎn)是盡可能縮短垃圾收集時(shí)用戶線程的停頓時(shí)間，而Parallel Scavenge收集器的目標(biāo)是達(dá)到一個(gè)可控制的吞吐量（Throughput）。

停頓時(shí)間越短就越適合需要與用戶交互的程序，良好的響應(yīng)速度能提升用戶體驗(yàn)。而高吞吐量則可以高效率地利用CPU時(shí)間，盡快完成程序的運(yùn)算任務(wù)，主要適合在后臺運(yùn)算而不需要太多交互的任務(wù)。

Parallel Scavenge收集器除了會(huì)顯而易見地提供可以精確控制吞吐量的參數(shù)，還提供了一個(gè)參數(shù)-XX:+UseAdaptiveSizePolicy，這是一個(gè)開關(guān)參數(shù)，打開參數(shù)后，就不需要手工指定新生代的大?。?Xmn）、Eden和Survivor區(qū)的比例（-XX:SurvivorRatio）、晉升老年代對象年齡（-XX:PretenureSizeThreshold）等細(xì)節(jié)參數(shù)了，虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行情況收集性能監(jiān)控信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整這些參數(shù)以提供最合適的停頓時(shí)間或者最大的吞吐量，這種方式稱為GC自適應(yīng)的調(diào)節(jié)策略（GC Ergonomics）。自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略也是Parallel Scavenge收集器與ParNew收集器的一個(gè)重要區(qū)別。

另外值得注意的一點(diǎn)是，Parallel Scavenge收集器無法與CMS收集器配合使用，所以在JDK 1.6推出Parallel Old之前，如果新生代選擇Parallel Scavenge收集器，老年代只有Serial Old收集器能與之配合使用。

老年代收集器

Serial Old收集器

Serial Old 是 Serial收集器的老年代版本，它同樣是一個(gè)單線程收集器，使用“標(biāo)記-整理”（Mark-Compact）算法。

此收集器的主要意義也是在于給Client模式下的虛擬機(jī)使用。如果在Server模式下，它還有兩大用途：

• 在JDK1.5 以及之前版本（Parallel Old誕生以前）中與Parallel Scavenge收集器搭配使用。

• 作為CMS收集器的后備預(yù)案，在并發(fā)收集發(fā)生Concurrent Mode Failure時(shí)使用。

它的工作流程與Serial收集器相同，這里再次給出Serial/Serial Old配合使用的工作流程圖：

Parallel Old收集器

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法。前面已經(jīng)提到過，這個(gè)收集器是在JDK 1.6中才開始提供的，在此之前，如果新生代選擇了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old以外別無選擇，所以在Parallel Old誕生以后，“吞吐量優(yōu)先”收集器終于有了比較名副其實(shí)的應(yīng)用組合，在注重吞吐量以及CPU資源敏感的場合，都可以優(yōu)先考慮Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。Parallel Old收集器的工作流程與Parallel Scavenge相同，這里給出Parallel Scavenge/Parallel Old收集器配合使用的流程圖：

CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器，它非常符合那些集中在互聯(lián)網(wǎng)站或者B/S系統(tǒng)的服務(wù)端上的Java應(yīng)用，這些應(yīng)用都非常重視服務(wù)的響應(yīng)速度。從名字上（“Mark Sweep”）就可以看出它是基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的。

CMS收集器工作的整個(gè)流程分為以下4個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記（CMS initial mark）：僅僅只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度很快，需要“Stop The World”。

• 并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）：進(jìn)行GC Roots Tracing的過程，在整個(gè)過程中耗時(shí)最長。

• 重新標(biāo)記（CMS remark）：為了修正并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分對象的標(biāo)記記錄，這個(gè)階段的停頓時(shí)間一般會(huì)比初始標(biāo)記階段稍長一些，但遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記的時(shí)間短。此階段也需要“Stop The World”。

• 并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）

由于整個(gè)過程中耗時(shí)最長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除過程收集器線程都可以與用戶線程一起工作，所以，從總體上來說，CMS收集器的內(nèi)存回收過程是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的。通過下圖可以比較清楚地看到CMS收集器的運(yùn)作步驟中并發(fā)和需要停頓的時(shí)間：

優(yōu)點(diǎn)

CMS是一款優(yōu)秀的收集器，它的主要優(yōu)點(diǎn)在名字上已經(jīng)體現(xiàn)出來了：并發(fā)收集、低停頓，因此CMS收集器也被稱為并發(fā)低停頓收集器（Concurrent Low Pause Collector）。

缺點(diǎn)

• 對CPU資源非常敏感 其實(shí)，面向并發(fā)設(shè)計(jì)的程序都對CPU資源比較敏感。在并發(fā)階段，它雖然不會(huì)導(dǎo)致用戶線程停頓，但會(huì)因?yàn)檎加昧艘徊糠志€程（或者說CPU資源）而導(dǎo)致應(yīng)用程序變慢，總吞吐量會(huì)降低。CMS默認(rèn)啟動(dòng)的回收線程數(shù)是（CPU數(shù)量+3）/4，也就是當(dāng)CPU在4個(gè)以上時(shí)，并發(fā)回收時(shí)垃圾收集線程不少于25%的CPU資源，并且隨著CPU數(shù)量的增加而下降。但是當(dāng)CPU不足4個(gè)時(shí)（比如2個(gè)），CMS對用戶程序的影響就可能變得很大，如果本來CPU負(fù)載就比較大，還要分出一半的運(yùn)算能力去執(zhí)行收集器線程，就可能導(dǎo)致用戶程序的執(zhí)行速度忽然降低了50%，其實(shí)也讓人無法接受。

• 無法處理浮動(dòng)垃圾（Floating Garbage） 可能出現(xiàn)“Concurrent Mode Failure”失敗而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生。由于CMS并發(fā)清理階段用戶線程還在運(yùn)行著，伴隨程序運(yùn)行自然就還會(huì)有新的垃圾不斷產(chǎn)生。這一部分垃圾出現(xiàn)在標(biāo)記過程之后，CMS無法再當(dāng)次收集中處理掉它們，只好留待下一次GC時(shí)再清理掉。這一部分垃圾就被稱為“浮動(dòng)垃圾”。也是由于在垃圾收集階段用戶線程還需要運(yùn)行，那也就還需要預(yù)留有足夠的內(nèi)存空間給用戶線程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那樣等到老年代幾乎完全被填滿了再進(jìn)行收集，需要預(yù)留一部分空間提供并發(fā)收集時(shí)的程序運(yùn)作使用。

• 標(biāo)記-清除算法導(dǎo)致的空間碎片 CMS是一款基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的收集器，這意味著收集結(jié)束時(shí)會(huì)有大量空間碎片產(chǎn)生?？臻g碎片過多時(shí)，將會(huì)給大對象分配帶來很大.麻煩，往往出現(xiàn)老年代空間剩余，但無法找到足夠大連續(xù)空間來分配當(dāng)前對象。

G1收集器

G1（Garbage-First）收集器是當(dāng)今收集器技術(shù)發(fā)展最前沿的成果之一，它是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器，HotSpot開發(fā)團(tuán)隊(duì)賦予它的使命是（在比較長期的）未來可以替換掉JDK 1.5中發(fā)布的CMS收集器。與其他GC收集器相比，G1具備如下特點(diǎn)：

• 并行與并發(fā) G1 能充分利用多CPU、多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢，使用多個(gè)CPU來縮短“Stop The World”停頓時(shí)間，部分其他收集器原本需要停頓Java線程執(zhí)行的GC動(dòng)作，G1收集器仍然可以通過并發(fā)的方式讓Java程序繼續(xù)執(zhí)行。

• 分代收集 與其他收集器一樣，分代概念在G1中依然得以保留。雖然G1可以不需要其他收集器配合就能獨(dú)立管理整個(gè)GC堆，但它能夠采用不同方式去處理新創(chuàng)建的對象和已存活一段時(shí)間、熬過多次GC的舊對象來獲取更好的收集效果。

• 空間整合 G1從整體來看是基于“標(biāo)記-整理”算法實(shí)現(xiàn)的收集器，從局部（兩個(gè)Region之間）上來看是基于“復(fù)制”算法實(shí)現(xiàn)的。這意味著G1運(yùn)行期間不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存空間碎片，收集后能提供規(guī)整的可用內(nèi)存。此特性有利于程序長時(shí)間運(yùn)行，分配大對象時(shí)不會(huì)因?yàn)闊o法找到連續(xù)內(nèi)存空間而提前觸發(fā)下一次GC。

• 可預(yù)測的停頓 這是G1相對CMS的一大優(yōu)勢，降低停頓時(shí)間是G1和CMS共同的關(guān)注點(diǎn)，但G1除了降低停頓外，還能建立可預(yù)測的停頓時(shí)間模型，能讓使用者明確指定在一個(gè)長度為M毫秒的時(shí)間片段內(nèi)，消耗在GC上的時(shí)間不得超過N毫秒，這幾乎已經(jīng)是實(shí)時(shí)Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

橫跨整個(gè)堆內(nèi)存

在G1之前的其他收集器進(jìn)行收集的范圍都是整個(gè)新生代或者老生代，而G1不再是這樣。G1在使用時(shí)，Java堆的內(nèi)存布局與其他收集器有很大區(qū)別，它將整個(gè)Java堆劃分為多個(gè)大小相等的獨(dú)立區(qū)域（Region），雖然還保留新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔離的了，而都是一部分Region（不需要連續(xù)）的集合。

建立可預(yù)測的時(shí)間模型

G1收集器之所以能建立可預(yù)測的停頓時(shí)間模型，是因?yàn)樗梢杂杏?jì)劃地避免在整個(gè)Java堆中進(jìn)行全區(qū)域的垃圾收集。G1跟蹤各個(gè)Region里面的垃圾堆積的價(jià)值大小（回收所獲得的空間大小以及回收所需時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值），在后臺維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的收集時(shí)間，優(yōu)先回收價(jià)值最大的Region（這也就是Garbage-First名稱的來由）。這種使用Region劃分內(nèi)存空間以及有優(yōu)先級的區(qū)域回收方式，保證了G1收集器在有限的時(shí)間內(nèi)可以獲取盡可能高的收集效率。

避免全堆掃描——Remembered Set

G1把Java堆分為多個(gè)Region，就是“化整為零”。但是Region不可能是孤立的，一個(gè)對象分配在某個(gè)Region中，可以與整個(gè)Java堆任意的對象發(fā)生引用關(guān)系。在做可達(dá)性分析確定對象是否存活的時(shí)候，需要掃描整個(gè)Java堆才能保證準(zhǔn)確性，這顯然是對GC效率的極大傷害。

為了避免全堆掃描的發(fā)生，虛擬機(jī)為G1中每個(gè)Region維護(hù)了一個(gè)與之對應(yīng)的Remembered Set。虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)程序在對Reference類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Write Barrier暫時(shí)中斷寫操作，檢查Reference引用的對象是否處于不同的Region之中（在分代的例子中就是檢查是否老年代中的對象引用了新生代中的對象），如果是，便通過CardTable把相關(guān)引用信息記錄到被引用對象所屬的Region的Remembered Set之中。當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存回收時(shí)，在GC根節(jié)點(diǎn)的枚舉范圍中加入Remembered Set即可保證不對全堆掃描也不會(huì)有遺漏。

如果不計(jì)算維護(hù)Remembered Set的操作，G1收集器的運(yùn)作大致可劃分為以下幾個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記（Initial Marking） 僅僅只是標(biāo)記一下GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)到的對象，并且修改TAMS（Nest Top Mark Start）的值，讓下一階段用戶程序并發(fā)運(yùn)行時(shí)，能在正確可以的Region中創(chuàng)建對象，此階段需要停頓線程，但耗時(shí)很短。

• 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking） 從GC Root 開始對堆中對象進(jìn)行可達(dá)性分析，找到存活對象，此階段耗時(shí)較長，但可與用戶程序并發(fā)執(zhí)行。

• 最終標(biāo)記（Final Marking） 為了修正在并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分標(biāo)記記錄，虛擬機(jī)將這段時(shí)間對象變化記錄在線程的Remembered Set Logs里面，最終標(biāo)記階段需要把Remembered Set Logs的數(shù)據(jù)合并到Remembered Set中，這階段需要停頓線程，但是可并行執(zhí)行。

• 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation） 首先對各個(gè)Region中的回收價(jià)值和成本進(jìn)行排序，根據(jù)用戶所期望的GC 停頓是時(shí)間來制定回收計(jì)劃。此階段其實(shí)也可以做到與用戶程序一起并發(fā)執(zhí)行，但是因?yàn)橹换厥找徊糠諶egion，時(shí)間是用戶可控制的，而且停頓用戶線程將大幅度提高收集效率。

通過下圖可以比較清楚地看到G1收集器的運(yùn)作步驟中并發(fā)和需要停頓的階段（Safepoint處）：

總結(jié)

感謝各位的閱讀！關(guān)于“JVM有哪些垃圾收集器”這篇文章就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，讓大家可以學(xué)到更多知識，如果覺得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到吧！