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

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