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【JVM】垃圾收集器以及内存分配

由 二次信任 提交于 2020-01-24 00:03:19

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前言

前面分享了垃圾回收的算法，还需要有具体的实现，在jvm中，实现了多种垃圾收集器，包括：串行垃圾收集器、并行垃圾收集器、CMS（并发）垃圾收集器、G1垃圾收集器，接下来，我们一个个的了解学习。

串行垃圾收集器

串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。这种现象称之为STW（Stop-The-World）。对于交互性较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能够接受的。一般在Javaweb应用中是不会采用该收集器的。

编写测试代码

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;

public class TestGC {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            int sleep = new Random().nextInt(100);
            if (System.currentTimeMillis() % 2 == 0) {
                list.clear();
            } else {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    Properties properties = new Properties();
                    properties.put("key_" + i, "value_" +
                            System.currentTimeMillis() + i);
                    list.add(properties);
                }
            }
            Thread.sleep(sleep);
        }
    }
}

设置垃圾回收为串行收集器

在程序运行参数中添加2个参数，如下：

  • -XX:+UseSerialGC
    • 指定年轻代和老年代都使用串行垃圾收集器
  • -XX:+PrintGCDetails
    • 打印垃圾回收的详细信息
# 为了测试GC，将堆的初始和最大内存都设置为16M
‐XX:+UseSerialGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m

在这里插入图片描述
启动程序，可以看到下面信息:

[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4416K->511K(4928K), 0.0060160 secs] 4416K->1747K(15872K), 0.0060534 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4927K->512K(4928K), 0.0035301 secs] 6163K->2292K(15872K), 0.0035498 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 10944K->10944K(10944K), 0.0318263 secs] 15871K->14843K(15872K), [Metaspace: 3345K->3345K(1056768K)], 0.0318567 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.03 secs]

GC日志信息解读：
年轻代的内存GC前后的大小：

  • DefNew
    • 表示使用的是串行垃圾收集器。
  • 4416K->511K(4928K)
    • 表示，年轻代GC前，占有4416K内存，GC后，占有511K内存，总大小4928K
  • 0.0046102 secs
    • 表示，GC所用的时间，单位为毫秒。
  • 4416K->1973K(15872K)
    • 表示，GC前，堆内存占有4416K，GC后，占有1973K，总大小为15872K
  • Full GC
    • 表示，内存空间全部进行GC

并行垃圾收集器

并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收的时间。（这里是指，并行能力较强的机器）

当然了，并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停应用程序，这个和串行垃圾回收器是一样的，只是并行执行，速度更快些，暂停的时间更短一些。

ParNew垃圾收集器

ParNew垃圾收集器是工作在年轻代上的，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。

通过-XX:+UseParNewGC参数设置年轻代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。

测试：

在这里插入图片描述

[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4416K->512K(4928K), 0.0032301 secs] 4416K->1809K(15872K), 0.0032533 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

由以上信息可以看出，ParNew: 使用的是ParNew收集器。其他信息和串行收集器一致。

ParallelGC垃圾收集器

ParallelGC收集器工作机制和ParNewGC收集器一样，只是在此基础之上，新增了两个和系统吞吐量相关的参数，使得其使用起来更加的灵活和高效。

相关参数如下：

  • -XX:+UseParallelGC
    • 年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用串行回收器。
  • -XX:+UseParallelOldGC
    • 年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器。
  • -XX:MaxGCPauseMillis
    • 设置最大的垃圾收集时的停顿时间，单位为毫秒
    • 需要注意的时，ParallelGC为了达到设置的停顿时间，可能会调整堆大小或其他的参数，如果堆的大小设置的较小，就会导致GC工作变得很频繁，反而可能会影响到性能。
    • 该参数使用需谨慎。
  • -XX:GCTimeRatio
    • 设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比，公式为1/(1+n)。
    • 它的值为0~100之间的数字，默认值为99，也就是垃圾回收时间不能超过1%
  • -XX:UseAdaptiveSizePolicy
    • 自适应GC模式，垃圾回收器将自动调整年轻代、老年代等参数，达到吞吐量、堆大小、停顿时间之间的平衡。
    • 一般用于，手动调整参数比较困难的场景，让收集器自动进行调整。
      在这里插入图片描述

-XX:+UseParallelGC
-XX:+UseParallelOldGC
-XX:MaxGCPauseMillis=100
-XX:+PrintGCDetails
-Xms16m
-Xmx16m


[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2528K->1440K(3584K)] 10694K->9921K(14848K), 0.0025602 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 1440K->0K(3584K)] [ParOldGen: 8481K->2755K(11264K)] 9921K->2755K(14848K), [Metaspace: 3341K->3341K(1056768K)], 0.0097865 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs]

有以上信息可以看出，年轻代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。

CMS垃圾收集器

CMS全称 Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，通过参数-XX:+UseConcMarkSweepGC进行设置。
CMS垃圾回收器的执行过程如下：

在这里插入图片描述

  • 初始化标记(CMS-initial-mark) ,标记root，会导致stw；
  • 并发标记(CMS-concurrent-mark)，与用户线程同时运行；
  • 预清理（CMS-concurrent-preclean），与用户线程同时运行；
  • 重新标记(CMS-remark) ，会导致stw；
  • 并发清除(CMS-concurrent-sweep)，与用户线程同时运行；
  • 调整堆大小，设置CMS在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片；
  • 并发重置状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)，与用户线程同时运行；

测试

# 设置GC 参数
-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:+PrintGCDetails
-Xms16m
-Xmx16m
# 第一步： 初始标记
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 6807K(10944K)] 7406K(15872K), 0.0008468 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
# 第二步： 并发标记
[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.005/0.005 secs] [Times: user=0.01 sys=0.01, real=0.01 secs] 
# 第三步：预处理
[CMS-concurrent-preclean-start]
[CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
# 第四步：重新标记
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 686 K (4928 K)][Rescan (parallel) , 0.0003320 secs][weak refs processing, 0.0000279 secs][class unloading, 0.0002541 secs][scrub symbol table, 0.0005056 secs][scrub string table, 0.0001078 secs][1 CMS-remark: 6807K(10944K)] 7493K(15872K), 0.0012966 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
#  第五步： 并发处理
[CMS-concurrent-sweep-start]
[CMS-concurrent-sweep: 0.004/0.004 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
#  第六步： 重置
[CMS-concurrent-reset-start]
[CMS-concurrent-reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->511K(4928K), 0.0024652 secs] 10647K->8648K(15872K), 0.0024836 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs]

由以上日志信息，可以看出CMS执行的过程。

G1垃圾收集器（重点）

G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

  1. 第一步，开启G1垃圾收集器
  2. 第二步，设置堆的最大内存
  3. 第三步，设置最大的停顿时间

G1中提供了三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC 和 Full GC，在不同的条件
下被触发。

原理

G1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。

这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。
在这里插入图片描述

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在G1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间，G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。

这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

在G1中，有一种特殊的区域，叫Humongous区域。

  • 如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。
  • 这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。
  • 为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

在这里插入图片描述

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Remembered Set（已记忆集合）

  • 在GC年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢？
    根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有对象都是根么？
  • 如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间。于是，G1引进了RSet的概念。它的全称是Remembered Set，其作用是跟踪指向某个堆内的对象引用。

在这里插入图片描述
每个Region初始化时，会初始化一个RSet，该集合用来记录并跟踪其它Region指向该Region中对象的引用，每个Region默认按照512Kb划分成多个Card，所以RSet需要记录的东西应该是 xx Region的 xx Card。

Mixed GC

当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个Old GC，除了回收整个YoungRegion，还会回收一部分的Old Region，这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代，可以选择哪些old region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC 并不是 Full GC。
MixedGC什么时候触发？ 由参数 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 决定。默认：45%，该参数的意思是：当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阀值时触发。

它的GC步骤分2步：

  1. 全局并发标记（global concurrent marking）
  2. 拷贝存活对象（evacuation）

全局并发标记

全局并发标记，执行过程分为五个步骤：

  • 初始标记（initial mark，STW）
    • 标记从根节点直接可达的对象，这个阶段会执行一次年轻代GC，会产生全局停顿。
  • 根区域扫描（root region scan）
    • G1 GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。
    • 该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次 STW 年轻代垃圾回收。
  • 并发标记（Concurrent Marking）
    • G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被 STW 年轻代垃圾回收中断。
  • 重新标记（Remark，STW）
    • 该阶段是 STW 回收，因为程序在运行，针对上一次的标记进行修正。
  • 清除垃圾（Cleanup，STW）
    • 清点和重置标记状态，该阶段会STW，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集，等待evacuation阶段来回收。

拷贝存活对象

Evacuation阶段是全暂停的。该阶段把一部分Region里的活对象拷贝到另一部分Region中，从而实现垃圾的回收清理。

G1收集器相关参数

  • -XX:+UseG1GC
    • 使用 G1 垃圾收集器
  • -XX:MaxGCPauseMillis
    • 设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到），默认
      值是 200 毫秒。
  • -XX:G1HeapRegionSize=n
    • 设置的 G1 区域的大小。值是 2 的幂，范围是 1 MB 到 32 MB 之间。目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。默认是堆内存的1/2000。
  • -XX:ParallelGCThreads=n
    • 设置 STW 工作线程数的值。将 n 的值设置为逻辑处理器的数量。n 的值与逻辑处理器的数量相同，最多为 8。
  • -XX:ConcGCThreads=n
    • 设置并行标记的线程数。将 n 设置为并行垃圾回收线程数 (ParallelGCThreads)
      的 1/4 左右。
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n
    • 设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认占用率是整个 Java 堆的 45%。

测试

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=100
-XX:+PrintGCDetails
-Xmx256m
#日志
[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0050675 secs]
   [Parallel Time: 4.3 ms, GC Workers: 8]
      [GC Worker Start (ms): Min: 283.6, Avg: 283.7, Max: 283.8, Diff: 0.2]
      #扫描根节点
      [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.3, Max: 0.9, Diff: 0.9, Sum: 2.2]
      #更新RS区域所消耗的时间
      [Update RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Processed Buffers: Min: 0, Avg: 0.0, Max: 0, Diff: 0, Sum: 0]
      [Scan RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
      [Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.5, Diff: 0.5, Sum: 0.5]
      #对象拷贝
      [Object Copy (ms): Min: 3.4, Avg: 3.9, Max: 4.1, Diff: 0.7, Sum: 31.3]
      [Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Termination Attempts: Min: 1, Avg: 1.0, Max: 1, Diff: 0, Sum: 8]
      [GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
      [GC Worker Total (ms): Min: 4.1, Avg: 4.3, Max: 4.3, Diff: 0.2, Sum: 34.1]
      [GC Worker End (ms): Min: 288.0, Avg: 288.0, Max: 288.0, Diff: 0.0]
   [Code Root Fixup: 0.0 ms]
   [Code Root Purge: 0.0 ms]
   [Clear CT: 0.1 ms] #清空CardTable
   [Other: 0.6 ms]
      [Choose CSet: 0.0 ms] #选取CSet
      [Ref Proc: 0.5 ms] #弱引用、软引用的处理耗时
      [Ref Enq: 0.0 ms] #弱引用、软引用的入队耗时
      [Redirty Cards: 0.1 ms]
      [Humongous Register: 0.0 ms] #大对象区域注册耗时
      [Humongous Reclaim: 0.0 ms] #大对象区域回收耗时
      [Free CSet: 0.0 ms]
   [Eden: 12.0M(12.0M)->0.0B(10.0M) Survivors: 0.0B->2048.0K Heap: 12.0M(256.0M)->5962.5K(256.0M)] #年轻代的大小统计
 [Times: user=0.03 sys=0.01, real=0.00 secs]

对于G1垃圾收集器优化建议

  • 年轻代大小
    • 避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其他相关选项显式设置年轻代大小。
    • 固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。
  • 暂停时间目标不要太过严苛
    • G1 GC 的吞吐量目标是 90% 的应用程序时间和 10%的垃圾回收时间。
    • 评估 G1 GC 的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量
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