综述

《Java虚拟机规范》中对垃圾收集器应该如何实现并没有做出任何规定，下图为作用在不同分代的收集器，连线表示可以搭配使用，连线中间的JDK9表示已经取消该组合

衡量垃圾收集器的三项最重要的指标是：内存占用（Footprint）、吞吐量（Throughput）和延迟（Latency）

新生代收集器

新生代收集器都采用的是标记-复制算法

Serial

单线程工作（指在GC时必须暂停其他线程，直到它收集结束），其简单高效，内存消耗小，适用于内存资源受限的环境，是HotSpot在Client模式下的默认收集器

ParNew

ParNew实际上是Serial的多线程并行版本，除了同时使用多线程进行gc外，其他都一样，在JDK7之前首选的新生代收集器（原因之一是其可以和CMS配合）

Parallel Scavenge

类似ParNew，也是并行收集，其目标是达到一个可控制的吞吐量（运行用户代码时间与处理器消耗时间之比）

• 停顿时间越短，越适合需要与用户交互或需要保证服务响应质量的程序
• 吞吐量越高，可高效率地利用CPU资源，尽快完成程序的运算任务，适合在后台运算而不需要太多交互的分析任务

Parallel Scavenge可通过

• -XX：MaxGCPauseMillis：控制最大gc停顿时间
• -XX：GCTimeRatio：垃圾收集时间占总时间的比率，相当于吞吐量的倒数，默认为99，即最大允许1%[1/(1+99)]的gc时间
• -XX：+UseAdaptiveSizePolicy：根据系统运行情况动态调整新生代、老年代等以提供最合适的停顿时间或最大吞吐量

老年代收集器

Serial Old和Parallel Old采用标记-整理，CMS采用标记-清除

Serial Old

Serial Old是Serial老年代版本，同样是单线程，主要也是用于Client模式下的虚拟机

在Serve模式下，与Parallel Scavenge搭配，或作为CMS发生Concurrent Mode Failure时的后背预案

Parallel Scavenge收集器架构中本身有PS MarkSweep收集器来进行老年代收集，其和Serial Old几乎一样

Parallel Old

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，支持多线程并发收集

CMS

实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作，目标是获取最短回收停顿时间，运作过程分为四个步骤

• 初始标记：Stop The World，标记GC Roots能直接关联的对象
• 并发标记：遍历对象引用链，可并发进行
• 重新标记：Stop The World，修正在并发标记期间产生变动的对象
• 并发清除：清除删除标记对象，无需移动对象，可并发进行

其缺点有

• 并发阶段虽然不会Stop The World，但会占用线程导致应用变慢，默认启动的回收线程数为（CPU核心数+3）/4，核心越少影响越大
• 无法处理浮动垃圾，并发过程产生的垃圾只能在下次收集
• 不能等老年代快满了再收集，需预留内存（-XX：CMSInitiatingOccupancyFraction）用于程序的并发运行
• 预留内存不足以分配新对象时，会出现Concurrent Mode Failure，此时需Stop The World，启动Serial Old进行老年代收集

CMS基于标记-清除会导致大量碎片，当内存不足以分配大对象时不得不提前触发Full GC

• -XX：+UseCMSCompactAtFullCollection：设置Full GC时是否启动内存碎片整理（无法并发），默认开启
• -XX：CMSFullGCsBeforeCompaction：第n+1次Full GC前会先进行碎片整理（默认为0每次进入Full GC都整理）

全堆收集器G1

在JDK 9 取代Parallel Scavenge+Parallel Old，成为Server模式下的默认收集器，开创了面向局部收集设计思路和基于Region的内存布局形式

• 将堆分为大小相等的Region（-XX：G1HeapRegionSize）
• Region可扮演新生代的Eden、Survivor或老年代
• Humongous用来存储超过Region容量一半的对象，超过整个Region容量的对象放在N个连续的Humongous
• 用优先级列表记录Region的垃圾价值（即回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值）
• 根据信息统计衰减均值，在停顿时间（-XX：MaxGCPauseMillis，默
  认200毫秒）优先处理回收价值收益最大的Region
• 跨Region引用存储在各自的哈希卡表，key为别的Region起始地址，Value为卡表索引号集合
• 采用原始快照（SATB）保证并发
• 用两个TAMS指针记录并发时的内存分配地址，若回收速度赶不上分配速度，需要Stop The World及Full GC

G1的运行过程分为4个步骤：

• 初始标记：Stop The World（与Minor GC同步），标记GC Roots直接关联的对象，修改TAMS
• 并发标记：遍历对象引用链，将并发时变动的对象记录到SATB
• 最终标记：Stop The World，处理SATB
• 筛选回收：Stop The World，更新Region统计信息，计算价值，根据停顿时间选择回收集，用复制算法回收，不会产生内存碎片

低延迟收集器

可在任意可管理的堆容量下，实现垃圾收集的停顿不超过十毫米

Shenandoah

Shenandoah只包含在OpenJDK中，很多地方都类似与G1，除了以下

• 支持并发的整理算法
• 默认不使用分代收集
• 用连接矩阵代替记忆集，其是二维表格，若Region N有
  对象指向Region M，就在表格的N行M列中打上一个标记

运行过程分为9个步骤：

• 初始标记：Stop The World，标记GC Roots直接关联的对象
• 并发标记：遍历对象引用链，将并发时变动的对象记录到SATB
• 最终标记：Stop The World，处理SATB，选择回收集
• 并发清理：清理无任何存活对象的Region
• 并发回收：将回收集存活对象复制到空Region，通过读屏障和Brooks Pointer转发地址解决并发移动
• 初始引用更新：Stop The World，建立线程集合点，确保对象移动已完成
• 并发引用更新：将堆中旧地址修改为移动后的新地址，无需搜索引用链，按照地址线性搜索
• 最终引用更新：Stop The World，修正GC Roots中的引用
• 并发清理：清理回收集的Region

Brooks Pointer在原有对象结构最前面新增引用字段，在不处于并发移动时指向自己，移动时只需要修改该指针

Brooks Pointer在并发写入可能导致写到旧对象，需采用CAS（Compare And Swap）进行同步

ZGC

基于Region内存布局，不设分代（无跨代引用），使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-整理算法

ZGC的Region具有动态创建和销毁，以及动态容量

• 小型Region：2MB，存放小于256KB的对象
• 中性Region：32MB，存放大于等256KB但小于4MB的对象
• 大小Region：动态容量，为2MB的整数倍，存放4MB及以上的对象，只会存放一个，不会重分配

染色指针将信息记录在引用对象的指针上，将64位地址的第19-22位用于存储四个标志信息

表示其引用对象的三色标记状态、是否进入重分配集（即被移动过）、是否只能通过finalize()访问到，但导致ZGC能够管理的内存不可以超过4TB（2⁴²）

染色指针的好处有：

• Region的存活对象被移走后，该Region可立即释放和重用（因为指针自愈），而不必等所有指向该Region的引用都被修正后才能清理
• 减少内存屏障的使用，将记录对象引用变动的写屏障维护到指针中
• 可扩展存储其他信息进一步提高性能
• 实际系统中的地址位是不可随意更改的，需采用多重映射将染色指针转为实际地址

运行分为四个步骤，都可并发，两个阶段中间会存在Stop The World

• 并发标记：遍历引用链，更新染色指针中的Marked 0、Marked 1
• 并发预备重分配：将要清理的Region组成重分配集（需扫描所有Region）
• 并发重分配：把重分配集的存活对象复制到新Region，为其中的每个Region维护一个转发表，记录旧对象到新对象的转向关系（指针自愈：若出现并发访问，会被截获并转发到新复制的对象，并修正该引用的值）
• 并发重映射：修正堆中指向重分配集中旧对象的所有引用，并释放重分配表（此步骤合并到并发标记节省一次遍历）

因为ZGC目前不分代，且每次收集扫描所以Region，当收集速度跟不上分配速度时，也会导致错误，解决办法是尽可能增大堆容量（或采用分代）

ZGC支持NUMA（Non-
Uniform Memory Access，非统一内存访问架构），会优先在当前处理器内存上分配对象，避免跨处理器，以保证效率

不收集垃圾——Epsilon

Epsilon不回收垃圾，运行负载极小，适用于只需要短时间运行，在堆耗尽之前退出的应用

收集器的权衡

• 若是数据分析、科学计算类的任务，目标是能尽快算出结果，则关注吞吐量
• 若停顿时间直接影响服务质量，严重的甚至会导致事务超时，则关注延迟
• 还需考虑软硬件、操作系统、CPU、内存、JDK版本及其发行商等

垃圾收集器日志

统一日志框架——Xlog

JDK9之前没有同一框架，日志开关由不同参数决定，JDK 9 后归纳到

-Xlog[:[selector][:[output][:[decorators][:output-options]]]]

selector由Tag和Level组成，可选值为

Tag：gc，add，age，alloc，annotation，aot，arguments，attach，barrier，biasedlocking，blocks，bot，breakpoint，bytecode

Level：Trace，Debug，Info，Warning，Error，Off

decorators可附加日志输出内容，默认为update、level、tags

• time：当前日期和时间
• uptime：虚拟机启动到现在经过秒数
• timemillis：当前时间的毫秒数
• uptimemillis：虚拟机启动到现在经过的毫秒数
• timenanos：当前时间的纳秒数
• uptimenanos：虚拟机启动到现在经过的纳秒数
• pid：进程ID
• tid：线程ID
• level：日志级别
• tags：日志输出的标签集

基本日志命令（JDK9之前和之后）

查看GC基本信息

-XX: +PrintGC
-Xlog: gc

查看gc详细信息

-XX: +PrintGCDetails
-Xlog: gc*

查看gc前后堆、方法区可用容量变化

-XX: +PrintHeapAtGC
-Xlog: gc+heap=debug

查看gc过程中用户线程并发时间以及停顿的时间

-XX: +PrintGCApplicationConcurrentTime -XX: +PrintGCApplicationStoppedTime
-Xlog: safepoint

查看收集器Ergonomics机制（自动设置堆空间各分代区域大小、收集目标等内容，从Parallel收集器开始支持）自动调节的相关信息

-XX：+PrintAdaptiveSizePolicy
-Xlog：gc+ergo*=trace

查看熬过收集后剩余对象的年龄分布信息

-XX：+PrintTenuringDistribution
-Xlog：gc+age=trace

其他JDK9前后命令

其他