?若果說(shuō)收集算法是內(nèi)存會(huì)說(shuō)的方法論辨液，那么垃圾收集器就是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)虐急。Java虛擬機(jī)中對(duì)垃圾收集器應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有任何規(guī)定，因此不同的廠商滔迈、不同版本的虛擬機(jī)所提供的垃圾收集器可能會(huì)有很大差別止吁，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)和要求組合使用各個(gè)年代所使用的收集器。HotSpot虛擬機(jī)包含的收集器入下圖所示：

HotSpot垃圾收集器

一畴椰、Serial收集器

?Serial（串行）收集器是一個(gè)最基本的臊诊，發(fā)展歷史悠久的單線程串行收集器，它在新生代采用復(fù)制算法斜脂，老年代采用標(biāo)記-整理算法抓艳；但它的“單線程”的意義并不僅僅說(shuō)明它只會(huì)使用一個(gè)CPU或者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)帚戳，必須暫停其他所有的工作線程壶硅，直到它收集結(jié)束（“Stop The World”）。這項(xiàng)工作是由虛擬機(jī)在后臺(tái)自動(dòng)發(fā)起和自動(dòng)完成的销斟，在用戶不可見(jiàn)的情況下把用戶正常工作的線程全部停掉庐椒，這對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是難以接收的。Serial/Serial Old收集器（新生代采用Serial收集器蚂踊，老年代采用Serial Old收集器）的運(yùn)行過(guò)程如圖：

Serial/Serial Old收集器

?雖然“Stop The World”給用戶帶來(lái)很大的不良的體驗(yàn)约谈，但是它依然是虛擬機(jī)運(yùn)行在Client模式下的默認(rèn)新生代收集器。它也有著優(yōu)于其他收集器的地方：簡(jiǎn)單高效(與其他收集器的單線程比)犁钟，對(duì)于限定單個(gè)CPU的環(huán)境來(lái)說(shuō)棱诱，Serial收集器優(yōu)于沒(méi)有線程交互的開(kāi)銷(xiāo)，專(zhuān)心做垃圾收集自然可以獲得最高的單線程收集效率涝动。

二迈勋、ParNew收集器

?ParNew收集器其實(shí)就是Serial收集器的多線程版本，除了使用多線程進(jìn)行垃圾收集之外醋粟，其余行為包括Serial收集器可用的所有控制參數(shù)(例如：-XX:SurvivorRatio靡菇、-XX:PretenureSizeThreshold、-XX:HandlePromotionFailure等)米愿、收集算法厦凤、Stop The World、對(duì)象分配規(guī)則育苟、回收策略等都與Serial收集器完全一樣较鼓。ParNew收集器的工作過(guò)程如圖：

ParNew/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(wú)太多創(chuàng)新之處违柏，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博烂，其中有一個(gè)與性能無(wú)關(guān)的重要原因是，除了Serial收集器外漱竖，目前只有它能和CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）配合工作禽篱，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)行介紹闲孤。

?ParNew 收集器在單CPU的環(huán)境中絕對(duì)不會(huì)有比Serial收集器有更好的效果谆级，甚至由于存在線程交互的開(kāi)銷(xiāo)，該收集器在通過(guò)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讼积。在多CPU環(huán)境下肥照，隨著CPU的數(shù)量增加，它對(duì)于GC時(shí)系統(tǒng)資源的有效利用是很有好處的勤众。它默認(rèn)開(kāi)啟的收集線程數(shù)與CPU的數(shù)量相同舆绎，在CPU非常多的情況下可使用-XX:ParallerGCThreads參數(shù)設(shè)置。

四们颜、 Parallel Scavenge收集器

?Parallel Scavenge收集器是一個(gè)新生代收集器吕朵，它也是使用復(fù)制算法的收集器，又是并行的多線程收集器窥突。它的特點(diǎn)是它的關(guān)注點(diǎn)與其他收集器不同努溃，CMS等收集器的關(guān)注點(diǎn)是盡可能地縮短垃圾收集時(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）阻问，也即CPU用于運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間與CPU總消耗時(shí)間的比值梧税，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）。
?停頓時(shí)間越短就越適合需要與用戶交互的程序称近，良好的響應(yīng)速度能提升用戶體驗(yàn)第队，而高吞吐量則可以高效率利用CPU時(shí)間，盡快完成程序的運(yùn)算任務(wù)刨秆，主要適合在后臺(tái)運(yùn)算而不需要太多交互的任務(wù)凳谦。
?Parallel Scavenge收集器提供了兩個(gè)參數(shù)用于精確控制吞吐量，分別是控制最大垃圾收集停頓時(shí)間的-XX:MaxGCPauseMillis參數(shù)以及直接設(shè)置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio參數(shù)衡未。
?除以上參數(shù)外尸执，Parallel Scavenge收集器還有一個(gè)參數(shù)-XX:+UseAdaptiveSizePolicy值得關(guān)注。這是一個(gè)開(kāi)關(guān)參數(shù)缓醋，當(dāng)這個(gè)參數(shù)打開(kāi)之后剔交，就不需要手工指定新生代的大小(-Xmn)、Eden與Survivor區(qū)的比例(-XX:SurvivorRatio)改衩、晉升老年代對(duì)象年齡(-XX:PretenureSizeThreshold)等細(xì)節(jié)參數(shù)了岖常，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葫督，這種調(diào)節(jié)方式稱(chēng)為GC自適應(yīng)的調(diào)整策略(GC Ergonomics)竭鞍。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。

五橄镜、Serial Old收集器

?Serial Old收集器的老年代版本偎快，它同樣是一個(gè)單線程收集器，使用“標(biāo)記-整理”算法洽胶。這個(gè)收集器的主要意義也是在于給Client模式下的虛擬機(jī)使用晒夹。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)案丐怯，在并發(fā)收集發(fā)生Concurrent Mode Failure時(shí)使用喷好。

六居触、Parallel Old收集器

?Parallel Old收集器時(shí)Parallel Scavenge收集器的老年代版本围橡，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法。這個(gè)收集器在JDK1.6中才開(kāi)始提供的衰猛，在此之前效览，新生代的Parallel Scavenge收集器一直處于比較尷尬的狀態(tài)无切。原因是，如果新生代選擇了Parallel Scavenge收集器丐枉，老年代除了Serial Old收集器外別無(wú)選擇哆键。由于老年代Serial Old收集器在服務(wù)端應(yīng)用性能上的“拖累”，使用了Parallel Scavenge收集器也未必能在整體應(yīng)用上獲得吞吐量最大化的效果瘦锹，由于單線程的老年代收集中無(wú)法充分利用服務(wù)器多CPU的處理能力洼哎。
?直到Parallel Old搜狐及其出現(xiàn)后，“吞吐量?jī)?yōu)先”收集器終于有了比較名副其實(shí)的應(yīng)用組合沼本，在注重吞吐量以及CPU資源敏感的場(chǎng)合噩峦，都可以優(yōu)先考慮Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。Parallel Old收集器的工作過(guò)程如圖：

Parallel Scavenge/Parallel Old收集器

七抽兆、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)的收集器识补。目前很大一部分的Java應(yīng)用集中在互聯(lián)網(wǎng)或者B/S系統(tǒng)的服務(wù)端上，這類(lèi)應(yīng)用尤其重視服務(wù)的響應(yīng)速度辫红，希望停頓時(shí)間最短凭涂，以給用戶帶來(lái)較好的體驗(yàn)。CMS收集器就非常符合這類(lèi)應(yīng)用的需求贴妻。
?CMS收集器時(shí)基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的切油，它的運(yùn)作過(guò)程相對(duì)于前面幾種收集器來(lái)說(shuō)更復(fù)雜一些，整個(gè)過(guò)程分為四個(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(duì)象名惩，速度很快澎胡，需要“Stop The World”。
• 并發(fā)標(biāo)記(CMS concurrent mark)：GC Roots Tracing的過(guò)程
• 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(duì)象的標(biāo)記記錄娩鹉，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(zhǎng)一些攻谁，但遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記的時(shí)間短。
• 并發(fā)清除(CMS concurrent sweep)：
  ?由于整個(gè)過(guò)程中耗時(shí)最長(zhǎng)的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除過(guò)程收集器線程都可以與用戶線程一起工作弯予，所以戚宦，從總體上來(lái)說(shuō)，CMS收集器的內(nèi)存回收過(guò)程是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的锈嫩。通過(guò)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：
  
  CMS垃圾收集器

優(yōu)點(diǎn)

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

缺點(diǎn)

• 對(duì)CPU資源非常敏感其實(shí)猴贰，面向并發(fā)設(shè)計(jì)的程序都對(duì)CPU資源比較敏感。在并發(fā)階段骚灸，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(shuō)CPU資源）而導(dǎo)致應(yīng)用程序變慢慌植，總吞吐量會(huì)降低甚牲。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)蝶柿，并發(fā)回收時(shí)垃圾收集線程不少于25%的CPU資源丈钙，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)）交汤，CMS對(duì)用戶程序的影響就可能變得很大雏赦，如果本來(lái)CPU負(fù)載就比較大，還要分出一半的運(yùn)算能力去執(zhí)行收集器線程芙扎，就可能導(dǎo)致用戶程序的執(zhí)行速度忽然降低了50%星岗，其實(shí)也讓人無(wú)法接受。
• 無(wú)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)生戒洼。由于CMS并發(fā)清理階段用戶線程還在運(yùn)行著俏橘，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(guò)程之后圈浇，CMS無(wú)法再當(dāng)次收集中處理掉它們寥掐，只好留待下一次GC時(shí)再清理掉。這一部分垃圾就被稱(chēng)為“浮動(dòng)垃圾”磷蜀。也是由于在垃圾收集階段用戶線程還需要運(yùn)行召耘，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)行收集褐隆，需要預(yù)留一部分空間提供并發(fā)收集時(shí)的程序運(yùn)作使用污它。
• 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)生庶弃」旄颍空間碎片過(guò)多時(shí)，將會(huì)給大對(duì)象分配帶來(lái)很大麻煩虫埂，往往出現(xiàn)老年代空間剩余祥山，但無(wú)法找到足夠大連續(xù)空間來(lái)分配當(dāng)前對(duì)象。

八掉伏、G1收集器

?G1（Garbage-First）是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器缝呕，未來(lái)可以替換掉JDK1.5中發(fā)布的CMS收集器澳窑。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CPU供常、多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢(shì)摊聋，使用多個(gè)CPU（CPU或者CPU核心）來(lái)縮短Stop-The-World停頓的時(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)作栈暇，G1收集器仍然可以通過(guò)并發(fā)的方式讓Java程序繼續(xù)執(zhí)行麻裁。
• 分代收集：與其他收集器一樣源祈，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堆香缺，但它能夠采用不同的方式去處理新創(chuàng)建的對(duì)象和已經(jīng)存活了一段時(shí)間、熬過(guò)多次GC的舊對(duì)象以獲取更好的手機(jī)效果图张。
• 空間整合：與CMS的“標(biāo)記-清理”算法不同，G1從整體來(lái)看是基于“標(biāo)記-整理”算法實(shí)現(xiàn)的收集器祸轮，從局部（兩個(gè)Region之間）上來(lái)看是基于“復(fù)制”算法實(shí)現(xiàn)的，但無(wú)論如何适袜，這兩種算法都意味著G1運(yùn)作期間不會(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)存痪蝇。這種特性有利于程序長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，分配大對(duì)象時(shí)不會(huì)因?yàn)闊o(wú)法找到連續(xù)內(nèi)存空間而提前觸發(fā)下一次GC躏啰。
• 可預(yù)測(cè)的停頓：這是G1相對(duì)于CMS的另一大優(yōu)勢(shì)趁矾，降低停頓時(shí)間是G1和CMS共同的關(guān)注點(diǎn)，但G1除了追求低停頓外给僵，還能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型毫捣，能讓使用者明確指定在一個(gè)長(zhǎng)度為M毫秒的時(shí)間片段內(nèi)，消耗在垃圾收集上的時(shí)間不得超過(guò)N毫秒帝际，這幾乎已經(jīng)是實(shí)時(shí)Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了蔓同。
  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不再是這樣蹲诀。G1在使用時(shí)斑粱，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）脯爪，雖然還保留新生代和老年代的概念则北，但新生代和老年代不再是物理隔離的了矿微，而都是一部分Region（不需要連續(xù)）的集合。

建立可預(yù)測(cè)的時(shí)間模型

?G1收集器之所以能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型尚揣，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)域的垃圾收集涌矢。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）快骗，在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表娜庇，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(chēng)的來(lái)由）方篮。這種使用Region劃分內(nèi)存空間以及有優(yōu)先級(jí)的區(qū)域回收方式名秀，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恭取，就是“化整為零”泰偿。但是Region不可能是孤立的熄守，一個(gè)對(duì)象分配在某個(gè)Region中蜈垮，可以與整個(gè)Java堆任意的對(duì)象發(fā)生引用關(guān)系。在做可達(dá)性分析確定對(duì)象是否存活的時(shí)候裕照，需要掃描整個(gè)Java堆才能保證準(zhǔn)確性攒发，這顯然是對(duì)GC效率的極大傷害。

?為了避免全堆掃描的發(fā)生晋南，虛擬機(jī)為G1中每個(gè)Region維護(hù)了一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的Remembered Set惠猿。虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)程序在對(duì)Reference類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)负间，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Write Barrier暫時(shí)中斷寫(xiě)操作，檢查Reference引用的對(duì)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(duì)象引用了新生代中的對(duì)象）趾访，如果是扼鞋，便通過(guò)CardTable把相關(guān)引用信息記錄到被引用對(duì)象所屬的Region的Remembered Set之中云头。當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存回收時(shí)淫半，在GC根節(jié)點(diǎn)的枚舉范圍中加入Remembered Set即可保證不對(duì)全堆掃描也不會(huì)有遺漏科吭。

?如果不計(jì)算維護(hù)Remembered Set的操作脆粥，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(duì)象变隔，并且修改TAMS（Nest Top Mark Start）的值匣缘，讓下一階段用戶程序并發(fā)運(yùn)行時(shí)肌厨，能在正確可以的Region中創(chuàng)建對(duì)象柑爸，此階段需要停頓線程盒音，但耗時(shí)很短。
• 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking） 從GC Root 開(kāi)始對(duì)堆中對(duì)象進(jìn)行可達(dá)性分析譬圣，找到存活對(duì)象厘熟，此階段耗時(shí)較長(zhǎng)绳姨，但可與用戶程序并發(fā)執(zhí)行阔挠。
  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)記記錄谒亦，虛擬機(jī)將這段時(shí)間對(duì)象變化記錄在線程的Remembered Set Logs里面份招，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廓旬，但是可并行執(zhí)行孕豹。
• 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation） 首先對(duì)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(lái)制定回收計(jì)劃春霍。此階段其實(shí)也可以做到與用戶程序一起并發(fā)執(zhí)行址儒，但是因?yàn)橹换厥找徊糠諶egion莲趣，時(shí)間是用戶可控制的饱溢，而且停頓用戶線程將大幅度提高收集效率绩郎。

?通過(guò)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）：

G1收集器

總結(jié)

參考資料

• [《深入理解Java虛擬機(jī)——JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐》－周志明]