Java虚拟机垃圾回收-7种垃圾收集器(不包括zgc)
1、垃圾收集器概述
垃圾收集器是垃圾回收算法（标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法、火车算法）的具体实现，不同商家、不同版本的JVM所提供的垃圾收集器可能会有很在差别，本文主要介绍HotSpot虚拟机中的垃圾收集器。
《Java虚拟机垃圾回收(一) 基础》"2-2、可达性分析算法"
更多Serial收集器请参考：
《Memory Management in the Java HotSpot? Virtual Machine》 4.3节 Serial Collector（内存管理白皮书）：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/memorymanagement-whitepaper-1-150020.pdf
《Java Platform, Standard Edition HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide》 第5节 Available Collectors（官方的垃圾收集调优指南）：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/collectors.html#sthref27
http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/memorymanagement-whitepaper-1-150020.pdf
《Java Platform, Standard Edition HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide》 第2节 Ergonomics：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/ergonomics.html#ergonomics
4、吞吐量与收集器关注点说明
（A）、吞吐量（Throughput）
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）；
高吞吐量即减少垃圾收集时间，让用户代码获得更长的运行时间；
（B）、垃圾收集器期望的目标（关注点）
（1）、停顿时间
停顿时间越短就适合需要与用户交互的程序；
良好的响应速度能提升用户体验；
（2）、吞吐量
高吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成运算的任务；
主要适合在后台计算而不需要太多交互的任务；
（3）、覆盖区（Footprint）
在达到前面两个目标的情况下，尽量减少堆的内存空间；
可以获得更好的空间局部性；
更多Parallel Scavenge收集器的信息请参考：
官方的垃圾收集调优指南 第6节：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/parallel.html#parallel_collector
上面介绍的都是新生代收集器，接下来开始介绍老年代收集器；
http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/memorymanagement-whitepaper-1-150020.pdf
http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/memorymanagement-whitepaper-1-150020.pdf
http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/cms.html#CJAGIIEJ
http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/cms.html#CJAGIIEJ
《内存管理白皮书》 4.6.3节可以看到一些描述；
（B）、无法处理浮动垃圾,可能出现"Concurrent Mode Failure"失败
（1）、浮动垃圾（Floating Garbage）
在并发清除时，用户线程新产生的垃圾，称为浮动垃圾；
这使得并发清除时需要预留一定的内存空间，不能像其他收集器在老年代几乎填满再进行收集；
也要可以认为CMS所需要的空间比其他垃圾收集器大；
"-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction"：设置CMS预留内存空间；
JDK1.5默认值为68%；
JDK1.6变为大约92%；
（2）、"Concurrent Mode Failure"失败
如果CMS预留内存空间无法满足程序需要，就会出现一次"Concurrent Mode Failure"失败；
这时JVM启用后备预案：临时启用Serail Old收集器，而导致另一次Full GC的产生；
这样的代价是很大的，所以CMSInitiatingOccupancyFraction不能设置得太大。
（C）、产生大量内存碎片
由于CMS基于"标记-清除"算法，清除后不进行压缩操作；
前面《Java虚拟机垃圾回收(二) 垃圾回收算法》"标记-清除"算法介绍时曾说过：
产生大量不连续的内存碎片会导致分配大内存对象时，无法找到足够的连续内存，从而需要提前触发另一次Full GC动作。
解决方法：
（1）、"-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection"
使得CMS出现上面这种情况时不进行Full GC，而开启内存碎片的合并整理过程；
但合并整理过程无法并发，停顿时间会变长；
默认开启（但不会进行，结合下面的CMSFullGCsBeforeCompaction）；
（2）、"-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction"
设置执行多少次不压缩的Full GC后，来一次压缩整理；
为减少合并整理过程的停顿时间；
默认为0，也就是说每次都执行Full GC，不会进行压缩整理；
由于空间不再连续，CMS需要使用可用"空闲列表"内存分配方式，这比简单实用"碰撞指针"分配内存消耗大；
更多关于内存分配方式请参考：《Java对象在Java虚拟机中的创建过程》
总体来看，与Parallel Old垃圾收集器相比，CMS减少了执行老年代垃圾收集时应用暂停的时间；
但却增加了新生代垃圾收集时应用暂停的时间、降低了吞吐量而且需要占用更大的堆空间；
更多CMS收集器信息请参考：
《垃圾收集调优指南》 8节 Concurrent Mark Sweep (CMS) Collector：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/cms.html#concurrent_mark_sweep_cms_collector
《内存管理白皮书》 4.6节 Concurrent Mark-Sweep (CMS) Collector：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/memorymanagement-whitepaper-1-150020.pdf
http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/g1_gc.html#garbage_first_garbage_collection
（C）、结合多种垃圾收集算法，空间整合，不产生碎片
从整体看，是基于标记-整理算法；
从局部（两个Region间）看，是基于复制算法；
这是一种类似火车算法的实现；
都不会产生内存碎片，有利于长时间运行；
（D）、可预测的停顿：低停顿的同时实现高吞吐量
G1除了追求低停顿处，还能建立可预测的停顿时间模型；
可以明确指定M毫秒时间片内，垃圾收集消耗的时间不超过N毫秒；
2、应用场景
面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器；
最主要的应用是为需要低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0.5秒；
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；
（3）、GC停顿时间过长（长于0.5至1秒）。
是否一定采用G1呢？也未必：
如果现在采用的收集器没有出现问题，不用急着去选择G1；
如果应用程序追求低停顿，可以尝试选择G1；
是否代替CMS需要实际场景测试才知道。
3、设置参数
"-XX:+UseG1GC"：指定使用G1收集器；
"-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent"：当整个Java堆的占用率达到参数值时，开始并发标记阶段；默认为45；
"-XX:MaxGCPauseMillis"：为G1设置暂停时间目标，默认值为200毫秒；
"-XX:G1HeapRegionSize"：设置每个Region大小，范围1MB到32MB；目标是在最小Java堆时可以拥有约2048个Region；
更多关于G1参数设置请参考：
《垃圾收集调优指南》 10.5节：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/g1_gc_tuning.html#important_defaults
4、为什么G1收集器可以实现可预测的停顿
G1可以建立可预测的停顿时间模型，是因为：
可以有计划地避免在Java堆的进行全区域的垃圾收集；
G1跟踪各个Region获得其收集价值大小，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（名称Garbage-First的由来）；
这就保证了在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率；
5、一个对象被不同区域引用的问题
一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确？
在其他的分代收集器，也存在这样的问题（而G1更突出）：
回收新生代也不得不同时扫描老年代？
这样的话会降低Minor GC的效率；
解决方法：
无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描：
每个Region都有一个对应的Remembered Set；
每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier暂时中断操作；
然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region（其他收集器：检查老年代对象是否引用了新生代对象）；
如果不同，通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中；
当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set；
就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。
6、G1收集器运作过程
不计算维护Remembered Set的操作，可以分为4个步骤（与CMS较为相似）。
（A）、初始标记（Initial Marking）
仅标记一下GC Roots能直接关联到的对象；
且修改TAMS（Next Top at Mark Start）,让下一阶段并发运行时，用户程序能在正确可用的Region中创建新对象；
需要"Stop The World"，但速度很快；
（B）、并发标记（Concurrent Marking）
进行GC Roots Tracing的过程；
刚才产生的集合中标记出存活对象；
耗时较长，但应用程序也在运行；
并不能保证可以标记出所有的存活对象；
（C）、最终标记（Final Marking）
为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记变动的那一部分对象的标记记录；
上一阶段对象的变化记录在线程的Remembered Set Log；
这里把Remembered Set Log合并到Remembered Set中；
需要"Stop The World"，且停顿时间比初始标记稍长，但远比并发标记短；
采用多线程并行执行来提升效率；
（D）、筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）
首先排序各个Region的回收价值和成本；
然后根据用户期望的GC停顿时间来制定回收计划；
最后按计划回收一些价值高的Region中垃圾对象；
回收时采用"复制"算法，从一个或多个Region复制存活对象到堆上的另一个空的Region，并且在此过程中压缩和释放内存；
可以并发进行，降低停顿时间，并增加吞吐量；
G1收集器运行示意图如下：
（C）、结合多种垃圾收集算法，空间整合，不产生碎片
从整体看，是基于标记-整理算法；
从局部（两个Region间）看，是基于复制算法；
这是一种类似火车算法的实现；
都不会产生内存碎片，有利于长时间运行；
（D）、可预测的停顿：低停顿的同时实现高吞吐量
G1除了追求低停顿处，还能建立可预测的停顿时间模型；
可以明确指定M毫秒时间片内，垃圾收集消耗的时间不超过N毫秒；
2、应用场景
面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器；
最主要的应用是为需要低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0.5秒；
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；
（3）、GC停顿时间过长（长于0.5至1秒）。
是否一定采用G1呢？也未必：
如果现在采用的收集器没有出现问题，不用急着去选择G1；
如果应用程序追求低停顿，可以尝试选择G1；
是否代替CMS需要实际场景测试才知道。
3、设置参数
"-XX:+UseG1GC"：指定使用G1收集器；
"-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent"：当整个Java堆的占用率达到参数值时，开始并发标记阶段；默认为45；
"-XX:MaxGCPauseMillis"：为G1设置暂停时间目标，默认值为200毫秒；
"-XX:G1HeapRegionSize"：设置每个Region大小，范围1MB到32MB；目标是在最小Java堆时可以拥有约2048个Region；
更多关于G1参数设置请参考：
《垃圾收集调优指南》 10.5节：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/g1_gc_tuning.html#important_defaults
4、为什么G1收集器可以实现可预测的停顿
G1可以建立可预测的停顿时间模型，是因为：
可以有计划地避免在Java堆的进行全区域的垃圾收集；
G1跟踪各个Region获得其收集价值大小，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（名称Garbage-First的由来）；
这就保证了在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率；
5、一个对象被不同区域引用的问题
一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确？
在其他的分代收集器，也存在这样的问题（而G1更突出）：
回收新生代也不得不同时扫描老年代？
这样的话会降低Minor GC的效率；
解决方法：
无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描：
每个Region都有一个对应的Remembered Set；
每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier暂时中断操作；
然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region（其他收集器：检查老年代对象是否引用了新生代对象）；
如果不同，通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中；
当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set；
就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。
6、G1收集器运作过程
不计算维护Remembered Set的操作，可以分为4个步骤（与CMS较为相似）。
（A）、初始标记（Initial Marking）
仅标记一下GC Roots能直接关联到的对象；
且修改TAMS（Next Top at Mark Start）,让下一阶段并发运行时，用户程序能在正确可用的Region中创建新对象；
需要"Stop The World"，但速度很快；
（B）、并发标记（Concurrent Marking）
进行GC Roots Tracing的过程；
刚才产生的集合中标记出存活对象；
耗时较长，但应用程序也在运行；
并不能保证可以标记出所有的存活对象；
（C）、最终标记（Final Marking）
为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记变动的那一部分对象的标记记录；
上一阶段对象的变化记录在线程的Remembered Set Log；
这里把Remembered Set Log合并到Remembered Set中；
需要"Stop The World"，且停顿时间比初始标记稍长，但远比并发标记短；
采用多线程并行执行来提升效率；
（D）、筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）
首先排序各个Region的回收价值和成本；
然后根据用户期望的GC停顿时间来制定回收计划；
最后按计划回收一些价值高的Region中垃圾对象；
回收时采用"复制"算法，从一个或多个Region复制存活对象到堆上的另一个空的Region，并且在此过程中压缩和释放内存；
可以并发进行，降低停顿时间，并增加吞吐量；
G1收集器运行示意图如下：
更多G1收集器信息请参考：
《垃圾收集调优指南》 9节 Garbage-First Garbage Collector：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/g1_gc.html#garbage_first_garbage_collection
《垃圾收集调优指南》 10节 Garbage-First Garbage Collector Tuning：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/g1_gc_tuning.html#g1_gc_tuning
到这里，我们大体了解HotSpot虚拟机中的所有垃圾收集器，后面我们将去了解JVM的一些内存分配与回收策略、JVM垃圾收集相关调优方法……
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