JVM GC參數以及GC算法的應用

作者：hosee
來源：https://my.oschina.net/hosee/blog/644618

之前的JVM 垃圾回收機制已經將GC的機制以及GC的算法講了一下。

https://my.oschina.net/hosee/blog/644085

而這篇Blog主要是討論這些GC的算法在JVM中的不同應用。

1. 串行收集器

串行收集器是最古老，最穩定以及效率高的收集器

可能會產生較長的停頓，只使用一個線程去回收

-XX:+UseSerialGC

• 新生代、老年代使用串行回收
• 新生代複製算法
• 老年代標記-壓縮

串行收集器的日誌輸出：

0.844: [GC 0.844: [DefNew: 17472K->2176K(19648K), 0.0188339 secs] 17472K->2375K(63360K), 0.0189186 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs]
 
8.259: [Full GC 8.259: [Tenured: 43711K->40302K(43712K), 0.2960477 secs] 63350K->40302K(63360K), [Perm : 17836K->17836K(32768K)], 0.2961554 secs] [Times: user=0.28 sys=0.02, real=0.30 secs]

2. 並行收集器

2.1 ParNew

-XX:+UseParNewGC（new代表新生代，所以適用於新生代）

• 新生代並行
• 老年代串行

Serial收集器新生代的並行版本

在新生代回收時使用複製算法

多線程，需要多核支持

-XX:ParallelGCThreads 限制線程數量

並行收集器的日誌輸出：

0.834: [GC 0.834: [ParNew: 13184K->1600K(14784K), 0.0092203 secs] 13184K->1921K(63936K), 0.0093401 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

2.2 Parallel收集器

類似ParNew

新生代複製算法

老年代標記-壓縮

更加關注吞吐量

-XX:+UseParallelGC

• 使用Parallel收集器+ 老年代串行

-XX:+UseParallelOldGC

• 使用Parallel收集器+ 老年代並行

Parallel收集器的日誌輸出：

500: [Full GC [PSYoungGen: 2682K->0K(19136K)] [ParOldGen: 28035K->30437K(43712K)] 30717K->30437K(62848K) [PSPermGen: 10943K->10928K(32768K)], 0.2902791 secs] [Times: user=1.44 sys=0.03, real=0.30 secs]

2.3 其他GC參數

-XX:MaxGCPauseMills

• 最大停頓時間，單位毫秒
• GC盡力保證回收時間不超過設定值

-XX:GCTimeRatio

• 0-100的取值範圍
• 垃圾收集時間占總時間的比
• 默認99，即最大允許1%時間做GC

這兩個參數是矛盾的。因為停頓時間和吞吐量不可能同時調優

3. CMS收集器

• Concurrent Mark Sweep 並發標記清除（應用程式線程和GC線程交替執行）
• 使用標記-清除算法
• 並發階段會降低吞吐量（停頓時間減少，吞吐量降低）
• 老年代收集器（新生代使用ParNew）
• -XX:+UseConcMarkSweepGC

CMS運行過程比較複雜，著重實現了標記的過程，可分為

1. 初始標記（會產生全局停頓）

• 根可以直接關聯到的對象
• 速度快

2. 並發標記（和用戶線程一起）

• 主要標記過程，標記全部對象

3. 重新標記 （會產生全局停頓）

• 由於並發標記時，用戶線程依然運行，因此在正式清理前，再做修正

4. 並發清除（和用戶線程一起）

• 基於標記結果，直接清理對象

這裡就能很明顯的看出，為什麼CMS要使用標記清除而不是標記壓縮，如果使用標記壓縮，需要多對象的內存位置進行改變，這樣程序就很難繼續執行。但是標記清除會產生大量內存碎片，不利於內存分配。

CMS收集器的日誌輸出：

1.662: [GC [1 CMS-initial-mark: 28122K(49152K)] 29959K(63936K), 0.0046877 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
1.666: [CMS-concurrent-mark-start]
1.699: [CMS-concurrent-mark: 0.033/0.033 secs] [Times: user=0.25 sys=0.00, real=0.03 secs] 
1.699: [CMS-concurrent-preclean-start]
1.700: [CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
1.700: [GC[YG occupancy: 1837 K (14784 K)]1.700: [Rescan (parallel) , 0.0009330 secs]1.701: [weak refs processing, 0.0000180 secs] [1 CMS-remark: 28122K(49152K)] 29959K(63936K), 0.0010248 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
1.702: [CMS-concurrent-sweep-start]
1.739: [CMS-concurrent-sweep: 0.035/0.037 secs] [Times: user=0.11 sys=0.02, real=0.05 secs] 
1.739: [CMS-concurrent-reset-start]
1.741: [CMS-concurrent-reset: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

CMS收集器特點：

儘可能降低停頓

會影響系統整體吞吐量和性能

• 比如，在用戶線程運行過程中，分一半CPU去做GC，系統性能在GC階段，反應速度就下降一半

清理不徹底

• 因為在清理階段，用戶線程還在運行，會產生新的垃圾，無法清理

因為和用戶線程一起運行，不能在空間快滿時再清理（因為也許在並發GC的期間，用戶線程又申請了大量內存，導致內存不夠）

• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction設置觸發GC的閾值
• 如果不幸內存預留空間不夠，就會引起concurrent mode failure

33.348: [Full GC 33.348: [CMS33.357: [CMS-concurrent-sweep: 0.035/0.036 secs] [Times: user=0.11 sys=0.03, real=0.03 secs] 
 (concurrent mode failure): 47066K->39901K(49152K), 0.3896802 secs] 60771K->39901K(63936K), [CMS Perm : 22529K->22529K(32768K)], 0.3897989 secs] [Times: user=0.39 sys=0.00, real=0.39 secs]

一旦 concurrent mode failure產生，將使用串行收集器作為後備。

CMS也提供了整理碎片的參數：

-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC後，進行一次整理

• 整理過程是獨占的，會引起停頓時間變長

-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction

• 設置進行幾次Full GC後，進行一次碎片整理

-XX:ParallelCMSThreads

• 設定CMS的線程數量（一般情況約等於可用CPU數量）

CMS的提出是想改善GC的停頓時間，在GC過程中的確做到了減少GC時間，但是同樣導致產生大量內存碎片，又需要消耗大量時間去整理碎片，從本質上並沒有改善時間。

4. G1收集器

G1是目前技術發展的最前沿成果之一，HotSpot開發團隊賦予它的使命是未來可以替換掉JDK1.5中發布的CMS收集器。

與CMS收集器相比G1收集器有以下特點：

1. 空間整合，G1收集器採用標記整理算法，不會產生內存空間碎片。分配大對象時不會因為無法找到連續空間而提前觸發下一次GC。

2. 可預測停頓，這是G1的另一大優勢，降低停頓時間是G1和CMS的共同關注點，但G1除了追求低停頓外，還能建立可預測的停頓時間模型，能讓使用者明確指定在一個長度為N毫秒的時間片段內，消耗在垃圾收集上的時間不得超過N毫秒，這幾乎已經是實時Java（RTSJ）的垃圾收集器的特徵了。

上面提到的垃圾收集器，收集的範圍都是整個新生代或者老年代，而G1不再是這樣。使用G1收集器時，Java堆的內存布局與其他收集器有很大差別，它將整個Java堆劃分為多個大小相等的獨立區域（Region），雖然還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閡了，它們都是一部分（可以不連續）Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew類似，當新生代占用達到一定比例的時候，開始出發收集。

和CMS類似，G1收集器收集老年代對象會有短暫停頓。

步驟：

1. 標記階段，首先初始標記(Initial-Mark),這個階段是停頓的(Stop the World Event)，並且會觸發一次普通Mintor GC。對應GC log:GC pause (young) (inital-mark)
2. Root Region Scanning，程序運行過程中會回收survivor區(存活到老年代)，這一過程必須在young GC之前完成。
3. Concurrent Marking，在整個堆中進行並發標記(和應用程式並發執行)，此過程可能被young GC中斷。在並發標記階段，若發現區域對象中的所有對象都是垃圾，那個這個區域會被立即回收(圖中打X)。同時，並發標記過程中，會計算每個區域的對象活性(區域中存活對象的比例)。
4. 
   
5. 
   

1. 
   
2. Remark, 再標記，會有短暫停頓(STW)。再標記階段是用來收集 並發標記階段 產生新的垃圾(並發階段和應用程式一同運行)；G1中採用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。
3. Copy/Clean up，多線程清除失活對象，會有STW。G1將回收區域的存活對象拷貝到新區域，清除Remember Sets，並發清空回收區域並把它返回到空閒區域鍊表中。
4. 複製/清除過程後。回收區域的活性對象已經被集中回收到深藍色和深綠色區域。

5. 安全點

GC的停頓主要來源於可達性分析上，程序執行時並非在所有地方都能停頓下來開始GC，只有在到達安全點時才能暫停。

安全點的選定基本上是以程序「是否具有讓程序長時間執行的特徵」為標準進行選定的——因為每條指令執行的時間都非常短暫，程序不太可能因為指令流長度太長這個原因而過長時間運行，「長時間執行」的最明顯特徵就是指令序列復用，例如方法調用、循環跳轉、異常跳轉等，所以具有這些功能的指令才會產生安全點。

接下來的問題就在於，如何讓程序在需要GC時都跑到安全點上停頓下來，大多數JVM的實現都是採用主動式中斷的思想。

主動式中斷的思想是當GC需要中斷線程的時候，不直接對線程操作，僅僅簡單地設置一個標誌，各個線程執行時主動去輪詢這個標誌，發現中斷標誌為真時就自己中斷掛起，輪詢標誌的地方和安全點是重合的，另外再加上創建對象需要分配內存的地方。

其他：

只要記住流行的組合就這幾種情況

Serial

ParNew + CMS

ParallelYoung + ParallelOld

G1GC

Reference：

1. 《深入理解Java虛擬機》
2. http://www.importnew.com/15311.html
3. http://www.zhihu.com/question/30538696