垃圾收集器 | 易学教程

GC概念

　　如果说垃圾收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

　　GC（Garbage Collection）的工作任务可以分为两类：内存的动态分配和垃圾回收。在内存执行分配之前，GC会先对内存进行划分区域，在上一篇博客中我们知道Java虚拟机使用了分代收集算法，所以堆区里面会被分为新生代和老年代两个区域，新生代又分为Eden空间、From空间和To空间。空间划分完成后，GC就可以为新对象分配内存空间。

　　在JDK版本这么多年发展的途中，垃圾收集器也已经出现了多种版本，基于分代的概念，不同的分代空间中活动着不同的GC。

　　从不同的角度分析垃圾收集器，可以将GC分为不同的类型。

按照线程数分，可分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。
按照工作模式分，可分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。
按碎片处理方式分，可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。
按工作内存分，可分为新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

下面简单介绍这几个概念

并发式回收器和独占式回收器

　　并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽量减少程序的停顿时间。

　　独占式回收器（Stop the world）一旦运行，就会停止应用程序中的其他所有线程，直到垃圾回收完全结束。

串行回收器和并行回收器

　　串行回收器是所有垃圾回收器中最古老的的一种，也是JDK中最基本的垃圾回收器之一，他的主要特点是使用单线程进行垃圾回收，其次，他是独占式的回收机制。

　　串行回收是指在同一时间段内只允许一件事情发生，也就是说，当多个CPU可用时，也只能由一个CPU用于执行垃圾回收操作，并且在执行垃圾回收期间，其他的工作线程将被暂停，当垃圾回收完全结束之后才会恢复之前被暂停的工作线程。

　　并行回收器是工作在新生代的垃圾收集器，它只是简单的将串行回收器多线程化，本质上和串行回收器一模一样。

　　并行回收器也是独占式，在回收过程中，应用程序的线程会全部暂停，但是由于并行回收器使用多线程进行垃圾回收，在并发能力比较强的CPU上，它产生的停顿时间要短于串行回收器，而在单CPU系统中，并行回收器的效果不会比串行回收器好。

压缩式回收器和非压缩式回收器

　　压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后导致的内存空间碎片。

　　没有整理空间碎片的步骤就叫非压缩回收器。

Serial 收集器

　　Serial收集器是历史最悠久的收集器，在早期的JKD版本中，Serial收集器是新生代唯一的选择。

　　它是串行的，也是独占式的，这是它的缺点，但如果限定于单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，自然可以获得最高的单线程收集效率。

　　注意：Serial收集器虽然古老，但是久经考验，在大多数情况下，性能表现是相当不错的，采用复制算法。

　　同时，老年代中也有Serial收集器，叫做Serial Old收集器。

ParNew 收集器

　　ParNew收集器是一个工作在新生代的垃圾收集器，其实说白了就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集之外，其他与Serial收集器相比并没有什么创新之处。

　　ParNew收集器也是独占式，在收集过程中，应用程序的线程会全部暂停，但是由于并行收集器使用多线程进行垃圾回收，在并发能力比较强的CPU上，它产生的停顿时间要短于Serial收集器的。

　　如果说ParNew收集器运行在多CPU的环境下，确实可以更快的完成垃圾收集。但是如果是在单个CPU的环境下，ParNew收集器是不如Serial高效的。

　　 ParNew收集器只存在于新生代中。

Parallel 收集器

　　Parallel收集器除了和ParNew收集器一样是基于并行回收以外，Parallel也同样的使用了复制算法和独占式机制。

　　但是不同的是，Parallel收集器的关注点不同，它的关注点是系统的吞吐量，也被称作"吞吐量优先"的收集器。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)

　　需要注意的是，垃圾收集器中吞吐量和线程停顿时间是互相矛盾的，GC停顿时间缩短必须要牺牲吞吐量和新生代空间来换取，比如，系统把新生代调小一点，收集300M新生代肯定比收集500M新生代速度快，这也直接导致垃圾收集发生的更频繁，原来10秒收集一次，每次停顿100秒，现在变成5秒收集一次，每次停顿70秒，停顿时间下降了，但吞吐量也下降了。

　　同样的，老年代中也存在Parallel收集器，叫做Parallel Old收集器。

CMS 收集器

　　CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，它是一款优秀的老年代垃圾收集器。

　　从名字可以看出，CMS为并发而生，并且使用的是标记清除算法。它的执行过程分为四个阶段：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。

　　初始标记是独占式，但它速度很快，仅仅只是标记GC Roots所能关联到的对象，并发标记会将之前的不可达的所有对象标记为垃圾，由于在并发标记阶段有可能有些标记过的对象引用发生变动，为了解决这个问题，CMS会进入到重新标记阶段，经历过这三个阶段后，CMS最终进入到并发清除阶段执行内存回收。

　　尽管CMS收集器采用的是并行回收，但是在初始标记阶段和重新标记阶段都使用的是独占式机制，需要暂停程序中的所有线程，可以说明目前所有的垃圾收集器都做不到完全不需要独占式机制，只是尽可能的缩短暂停时间而已。

　　注意：CMS使用的算法是标记清除，因此清除垃圾后，会残留大量空间碎片。为了解决这个问题，MCS收集器会默认清除垃圾后进行碎片整理，也因此停顿时间不得不增长。

G1 收集器

　　G1（Garbage-First）收集器是当今收集器技术发展最前沿的成果之一，它解决了前三个收集器的很多缺陷。

　　作为CMS的长期替代方案，G1使用了分代分区算法，特点如下：

1.并行性：G1在回收期间，可以由多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。
2.并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此一般来说，不会再整个回收期间完全阻塞应用程序。
3.分代收集：G1和之前的回收器不同，它兼顾新生代和老年代，可以独立管理整个GC堆，能够采用不同的方式去管理新生代和老年代的对象。
4.空间整理：G1是基于标记压缩算法实现的收集器，在每次回收后都会有效的整理空间。
5.可预见性：由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收范围，对于应用线程停顿可以有很好的控制。