JVM GC 复习（三） - GC收集器

上一篇讲了一系列的GC算法。这一篇来看看这些算法的具体实现，也就是GC收集器。

JVM提供这几种GC收集器：

• Serial
• Parallel
• Concurrent Mark and Sweep (CMS)
• Garbage First (G1)

注意，因为JVM分为新生代和老年代，在使用前三个GC收集器时，需要分别设置新生代和老年代的算法。而第四个（G1）是采用分而治之的思想，将整个堆内存划分为各个小的regions，所以无所谓新生代和老年代。只需要设置一个算法。

一些workable的GC收集器设置选项是这样的：

新生代	老年代	JVM options
Serial	Serial	-XX:+UseSerialGC
Parallel Scavenge	Parallel Old	-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC
Parallel New	CMS	-XX:+UseConcMarkSweepGC
G1		-XX:+UseG1GC

下面，分别介绍这四种GC组合。

Serial GC

也就是Serial for young GC & Serial for Old GC。

这个GC组合，实际的GC算法是：

• 新生代：标记 - 复制
• 老年代：标记 - 压缩

这个不是重点，重点是：这种GC收集器在young GC和full GC阶段都是单线程的，也就是都会stop-the-world，并且只能利用一个CPU核。

这种算法对CPU利用率不高，stop-the-world时间很长，在server-side不会选择，不展开说了。

Parallel GC

也就是Parallel Scavenge for young GC & Parallel Old for Old GC。

这种GC组合使用的GC算法和Serial是一样的。它是Serial的一个多线程版本。

多线程意味着它比Serial的stop-the-world时间更短，但是仍然是young GC和full GC都需要stop-the-world。

在高负载，高并发的后端集群里，低延迟、高吞吐量是最重要的指标，所以这个Parallel GC也可以不作考虑了。

Concurrent Mark and Sweep

CMS是为了避免长时间的GC暂停而设计的。也就生产环境常用的收集器选择。下面来详细说说CMS收集器。

它在新生代使用标记 - 复制算法（也就是常说的将新生代分为eden survivor区域），在老年代使用的是标记 - 清扫算法（也就是使用free-list记录可使用的内存区域）。

它和前两种收集器最大的区别是：它是最高程度的并发的。整个GC阶段的大部分时间，GC线程和其他线程是并发执行的，只会有很少的时间出现stop-the-world。

下面结合一段GC log，说说CMS是如何达到“最高程度的并发”的：

[GC (Allocation Failure) 64.322: [ParNew: 613404K->68068K(613440K), 0.1020465 secs] 10885349K->10880154K(12514816K), 0.1021309 secs] [Times: user=0.78 sys=0.01, real=0.11 secs]
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 10812086K(11901376K)] 10887844K(12514816K), 0.0001997 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.035/0.035 secs] [Times: user=0.07 sys=0.00, real=0.03 secs]
[CMS-concurrent-preclean-start]
[CMS-concurrent-preclean: 0.016/0.016 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]
[CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
[CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.167/1.074 secs] [Times: user=0.20 sys=0.00, real=1.07 secs]
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 387920 K (613440 K)]65.550: [Rescan (parallel) , 0.0085125 secs]65.559: [weak refs processing, 0.0000243 secs]65.559: [class unloading, 0.0013120 secs]65.560: [scrub symbol table, 0.0008345 secs]65.561: [scrub string table, 0.0001759 secs][1 CMS-remark: 10812086K(11901376K)] 11200006K(12514816K), 0.0110730 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.01 secs]
[CMS-concurrent-sweep-start]
[CMS-concurrent-sweep: 0.027/0.027 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.03 secs]
[CMS-concurrent-reset-start]
[CMS-concurrent-reset: 0.012/0.012 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

以上是一次完整的CMS full GC的GC log。其中，第一行是minor GC，其余的log是由minor GC所触发的full GC。我们会在下一篇详细分析GC Log。在这里，只看看整个CMS过程所有的阶段：

首先是minor GC阶段（第一行）：CMS使用ParNew收集器，minor GC的过程是stop-the-world的。

整个full GC可分为5个phases，分别是：Initial Mark，Concurrent Marking，Remark，Concurrent Sweep，Resetting。下面，逐一来说下。

Initial Mark：这一步是stop-the-world的。这一步是标记老年代中 被新生代引用 或 本身就是GC Root 的对象。这一步的stop-the-world时间很短，只取决于扫描新生代的时间。

Concurrent Marking：这一步是并发的（不阻塞其他线程）。这一步中，GC收集器会从上一步标记到的对象开始，遍历整个堆空间，找到所有live objects。注意，由于这一步是和其他线程并发进行的，所以这阶段新产生的live objects是标记不了的。

所以，在Concurrent Marking和Remark阶段之间还有两个步骤（在GC Log上可以看到），分别是Concurrent Preclean和Concurrent Abortable Preclean。这两个阶段也是并发的，非stop-the-world的。这两个阶段为了修复Concurrent Marking阶段新产生的对象。尽量减轻下一阶段（Remark）的stop-the-world的时间。

Remark：这一步是stop-the-world的。对应GC Log也是最长的那一行。由于之前的Concurrent Marking是并发的，所以会有误差。CMS想要得到标记最准确的live object和dead object，必须要stop-the-world的，但由于之前的三步已经做了大部分的工作，所以Remark的stop-the-world时间是很短的。

Concurrent Sweep：清扫堆中的可以回收的内存空间。具体的做法是将dead object的空间加入到free-list里，让下一次allocate使用这些空间。注意：在这一步中，live objects是没有移动的，只待在原处。

Resetting：收尾工作，为下一次full GC准备。

G1

G1收集器的设计目标和CMS类似，也是为了降低STW的时间，而且G1更进一步，你可以设置stop-the-world时间不超过x毫秒。

要达到这样的目标，G1将整个堆内存划分为各个小的regions（通常是2048个）。这些regions可以充当Eden region、Survivor region或Old region。所有的Eden region和Survivor region组成新生代，所有的Old region组成老年代。

化整为零之后，每次GC不需要扫描并回收整个堆空间，而只需要查看特定的regions。

目前我们没有使用G1收集器，先不展开了。有兴趣的话可看参考的第一项，里面有非常详细的解释。

参考

• https://plumbr.eu/handbook/garbage-collection-algorithms-implementations#parallel-minor-gc
• http://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/G1GettingStarted/index.html
• https://blogs.oracle.com/jonthecollector/the-unspoken-phases-of-cms
• https://blogs.oracle.com/jonthecollector/our-collectors