Java 語(yǔ)言的一大特點(diǎn)就是可以進(jìn)行自動(dòng)垃圾回收處理，而無需開發(fā)人員過于關(guān)注系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存資源的釋放情況。自動(dòng)垃圾收集雖然大大減輕了開發(fā)人員的工作量，但是也增加了軟件系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
擁有垃圾收集器可以說是 Java 語(yǔ)言與 C 語(yǔ)言的一項(xiàng)顯著區(qū)別。在 C 語(yǔ)言中，程序員必須小心謹(jǐn)慎地處理每一項(xiàng)內(nèi)存分配，且內(nèi)存使用完后必須手工釋放曾經(jīng)占用的內(nèi)存空間。當(dāng)內(nèi)存釋放不夠完全時(shí)，即存在分配但永不釋放的內(nèi)存塊，就會(huì)引起內(nèi)存泄漏，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致程序癱瘓。
以下列舉了垃圾回收器常用的算法及實(shí)驗(yàn)原理：
引用計(jì)數(shù)法 (Reference Counting)
引用計(jì)數(shù)器在微軟的 COM 組件技術(shù)中、Adobe 的 ActionScript3 種都有使用。
引用計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，對(duì)于一個(gè)對(duì)象 A，只要有任何一個(gè)對(duì)象引用了 A，則 A 的引用計(jì)數(shù)器就加 1，當(dāng)引用失效時(shí)，引用計(jì)數(shù)器就減 1。只要對(duì)象 A 的引用計(jì)數(shù)器的值為 0，則對(duì)象 A 就不可能再被使用。
引用計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)也非常簡(jiǎn)單，只需要為每個(gè)對(duì)象配置一個(gè)整形的計(jì)數(shù)器即可。但是引用計(jì)數(shù)器有一個(gè)嚴(yán)重的問題，即無法處理循環(huán)引用的情況。因此，在 Java 的垃圾回收器中沒有使用這種算法。
一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)引用問題描述如下：有對(duì)象 A 和對(duì)象 B，對(duì)象 A 中含有對(duì)象 B 的引用，對(duì)象 B 中含有對(duì)象 A 的引用。此時(shí)，對(duì)象 A 和對(duì)象 B 的引用計(jì)數(shù)器都不為 0。但是在系統(tǒng)中卻不存在任何第 3 個(gè)對(duì)象引用了 A 或 B。也就是說，A 和 B 是應(yīng)該被回收的垃圾對(duì)象，但由于垃圾對(duì)象間相互引用，從而使垃圾回收器無法識(shí)別，引起內(nèi)存泄漏。
標(biāo)記-清除算法 (Mark-Sweep)
標(biāo)記-清除算法將垃圾回收分為兩個(gè)階段：標(biāo)記階段和清除階段。一種可行的實(shí)現(xiàn)是，在標(biāo)記階段首先通過根節(jié)點(diǎn)，標(biāo)記所有從根節(jié)點(diǎn)開始的較大對(duì)象。因此，未被標(biāo)記的對(duì)象就是未被引用的垃圾對(duì)象。然后，在清除階段，清除所有未被標(biāo)記的對(duì)象。該算法最大的問題是存在大量的空間碎片，因?yàn)榛厥蘸蟮目臻g是不連續(xù)的。在對(duì)象的堆空間分配過程中，尤其是大對(duì)象的內(nèi)存分配，不連續(xù)的內(nèi)存空間的工作效率要低于連續(xù)的空間。
復(fù)制算法 (Copying)
將現(xiàn)有的內(nèi)存空間分為兩快，每次只使用其中一塊，在垃圾回收時(shí)將正在使用的內(nèi)存中的存活對(duì)象復(fù)制到未被使用的內(nèi)存塊中，之后，清除正在使用的內(nèi)存塊中的所有對(duì)象，交換兩個(gè)內(nèi)存的角色，完成垃圾回收。
如果系統(tǒng)中的垃圾對(duì)象很多，復(fù)制算法需要復(fù)制的存活對(duì)象數(shù)量并不會(huì)太大。因此在真正需要垃圾回收的時(shí)刻，復(fù)制算法的效率是很高的。又由于對(duì)象在垃圾回收過程中統(tǒng)一被復(fù)制到新的內(nèi)存空間中，因此，可確?；厥蘸蟮膬?nèi)存空間是沒有碎片的。該算法的缺點(diǎn)是將系統(tǒng)內(nèi)存折半。
Java 的新生代串行垃圾回收器中使用了復(fù)制算法的思想。新生代分為 eden 空間、from 空間、to 空間 3 個(gè)部分。其中 from 空間和 to 空間可以視為用于復(fù)制的兩塊大小相同、地位相等，且可進(jìn)行角色互換的空間塊。from 和 to 空間也稱為 survivor 空間，即幸存者空間，用于存放未被回收的對(duì)象。
在垃圾回收時(shí)，eden 空間中的存活對(duì)象會(huì)被復(fù)制到未使用的 survivor 空間中 (假設(shè)是 to)，正在使用的 survivor 空間 (假設(shè)是 from) 中的年輕對(duì)象也會(huì)被復(fù)制到 to 空間中 (大對(duì)象，或者老年對(duì)象會(huì)直接進(jìn)入老年帶，如果 to 空間已滿，則對(duì)象也會(huì)直接進(jìn)入老年代)。此時(shí)，eden 空間和 from 空間中的剩余對(duì)象就是垃圾對(duì)象，可以直接清空，to 空間則存放此次回收后的存活對(duì)象。這種改進(jìn)的復(fù)制算法既保證了空間的連續(xù)性，又避免了大量的內(nèi)存空間浪費(fèi)。
標(biāo)記-壓縮算法 (Mark-Compact)
復(fù)制算法的高效性是建立在存活對(duì)象少、垃圾對(duì)象多的前提下的。這種情況在年輕代經(jīng)常發(fā)生，但是在老年代更常見的情況是大部分對(duì)象都是存活對(duì)象。如果依然使用復(fù)制算法，由于存活的對(duì)象較多，復(fù)制的成本也將很高。
標(biāo)記-壓縮算法是一種老年代的回收算法，它在標(biāo)記-清除算法的基礎(chǔ)上做了一些優(yōu)化。也首先需要從根節(jié)點(diǎn)開始對(duì)所有可達(dá)對(duì)象做一次標(biāo)記，但之后，它并不簡(jiǎn)單地清理未標(biāo)記的對(duì)象，而是將所有的存活對(duì)象壓縮到內(nèi)存的一端。之后，清理邊界外所有的空間。這種方法既避免了碎片的產(chǎn)生，又不需要兩塊相同的內(nèi)存空間，因此，其性價(jià)比比較高。
增量算法 (Incremental Collecting)
在垃圾回收過程中，應(yīng)用軟件將處于一種 CPU 消耗很高的狀態(tài)。在這種 CPU 消耗很高的狀態(tài)下，應(yīng)用程序所有的線程都會(huì)掛起，暫停一切正常的工作，等待垃圾回收的完成。如果垃圾回收時(shí)間過長(zhǎng)，應(yīng)用程序會(huì)被掛起很久，將嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)或者系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
增量算法的基本思想是，如果一次性將所有的垃圾進(jìn)行處理，需要造成系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的停頓，那么就可以讓垃圾收集線程和應(yīng)用程序線程交替執(zhí)行。每次，垃圾收集線程只收集一小片區(qū)域的內(nèi)存空間，接著切換到應(yīng)用程序線程。依次反復(fù)，直到垃圾收集完成。使用這種方式，由于在垃圾回收過程中，間斷性地還執(zhí)行了應(yīng)用程序代碼，所以能減少系統(tǒng)的停頓時(shí)間。但是，因?yàn)榫€程切換和上下文轉(zhuǎn)換的消耗，會(huì)使得垃圾回收的總體成本上升，造成系統(tǒng)吞吐量的下降。
分代 (Generational Collecting)
根據(jù)垃圾回收對(duì)象的特性，不同階段最優(yōu)的方式是使用合適的算法用于本階段的垃圾回收，分代算法即是基于這種思想，它將內(nèi)存區(qū)間根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)分成幾塊，根據(jù)每塊內(nèi)存區(qū)間的特點(diǎn)，使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。以 Hot Spot 虛擬機(jī)為例，它將所有的新建對(duì)象都放入稱為年輕代的內(nèi)存區(qū)域，年輕代的特點(diǎn)是對(duì)象會(huì)很快回收，因此，在年輕代就選擇效率較高的復(fù)制算法。當(dāng)一個(gè)對(duì)象經(jīng)過幾次回收后依然存活，對(duì)象就會(huì)被放入稱為老生代的內(nèi)存空間。在老生代中，幾乎所有的對(duì)象都是經(jīng)過幾次垃圾回收后依然得以幸存的。因此，可以認(rèn)為這些對(duì)象在一段時(shí)期內(nèi)，甚至在應(yīng)用程序的整個(gè)生命周期中，將是常駐內(nèi)存的。如果依然使用復(fù)制算法回收老生代，將需要復(fù)制大量對(duì)象。再加上老生代的回收性價(jià)比也要低于新生代，因此這種做法也是不可取的。根據(jù)分代的思想，可以對(duì)老年代的回收使用與新生代不同的標(biāo)記-壓縮算法，以提高垃圾回收效率。
從不同角度分析垃圾收集器，可以將其分為不同的類型。
1. 按線程數(shù)分，可以分為串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。串行垃圾回收器一次只使用一個(gè)線程進(jìn)行垃圾回收；并行垃圾回收器一次將開啟多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行垃圾回收。在并行能力較強(qiáng)的 CPU 上，使用并行垃圾回收器可以縮短 GC 的停頓時(shí)間。
2. 按照工作模式分，可以分為并發(fā)式垃圾回收器和獨(dú)占式垃圾回收器。并發(fā)式垃圾回收器與應(yīng)用程序線程交替工作，以盡可能減少應(yīng)用程序的停頓時(shí)間；獨(dú)占式垃圾回收器 (Stop the world) 一旦運(yùn)行，就停止應(yīng)用程序中的其他所有線程，直到垃圾回收過程完全結(jié)束。
3. 按碎片處理方式可分為壓縮式垃圾回收器和非壓縮式垃圾回收器。壓縮式垃圾回收器會(huì)在回收完成后，對(duì)存活對(duì)象進(jìn)行壓縮整理，消除回收后的碎片；非壓縮式的垃圾回收器不進(jìn)行這步操作。
4. 按工作的內(nèi)存區(qū)間，又可分為新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。
可以用以下指標(biāo)評(píng)價(jià)一個(gè)垃圾處理器的好壞。
吞吐量：指在應(yīng)用程序的生命周期內(nèi)，應(yīng)用程序所花費(fèi)的時(shí)間和系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間的比值。系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間=應(yīng)用程序耗時(shí) GC 耗時(shí)。如果系統(tǒng)運(yùn)行了 100min，GC 耗時(shí) 1min，那么系統(tǒng)的吞吐量就是 (100-1)/100=99%。
垃圾回收器負(fù)載：和吞吐量相反，垃圾回收器負(fù)載指來記回收器耗時(shí)與系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)間的比值。
停頓時(shí)間：指垃圾回收器正在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序的暫停時(shí)間。對(duì)于獨(dú)占回收器而言，停頓時(shí)間可能會(huì)比較長(zhǎng)。使用并發(fā)的回收器時(shí)，由于垃圾回收器和應(yīng)用程序交替運(yùn)行，程序的停頓時(shí)間會(huì)變短，但是，由于其效率很可能不如獨(dú)占垃圾回收器，故系統(tǒng)的吞吐量可能會(huì)較低。
垃圾回收頻率：指垃圾回收器多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)運(yùn)行一次。一般來說，對(duì)于固定的應(yīng)用而言，垃圾回收器的頻率應(yīng)該是越低越好。通常增大堆空間可以有效降低垃圾回收發(fā)生的頻率，但是可能會(huì)增加回收產(chǎn)生的停頓時(shí)間。
反應(yīng)時(shí)間：指當(dāng)一個(gè)對(duì)象被稱為垃圾后多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，它所占據(jù)的內(nèi)存空間會(huì)被釋放。
堆分配：不同的垃圾回收器對(duì)堆內(nèi)存的分配方式可能是不同的。一個(gè)良好的垃圾收集器應(yīng)該有一個(gè)合理的堆內(nèi)存區(qū)間劃分。
新生代串行收集器
串行收集器主要有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，它僅僅使用單線程進(jìn)行垃圾回收；第二，它獨(dú)占式的垃圾回收。
在串行收集器進(jìn)行垃圾回收時(shí)，Java 應(yīng)用程序中的線程都需要暫停，等待垃圾回收的完成，這樣給用戶體驗(yàn)造成較差效果。雖然如此，串行收集器卻是一個(gè)成熟、經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)環(huán)境考驗(yàn)的極為高效的收集器。新生代串行處理器使用復(fù)制算法，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，邏輯處理特別高效，且沒有線程切換的開銷。在諸如單 CPU 處理器或者較小的應(yīng)用內(nèi)存等硬件平臺(tái)不是特別優(yōu)越的場(chǎng)合，它的性能表現(xiàn)可以超過并行回收器和并發(fā)回收器。在 HotSpot 虛擬機(jī)中，使用-XX： UseSerialGC 參數(shù)可以指定使用新生代串行收集器和老年代串行收集器。當(dāng) JVM 在 Client 模式下運(yùn)行時(shí)，它是默認(rèn)的垃圾收集器。一次新生代串行收集器的工作輸出日志類似如清單 1 信息 (使用-XX: PrintGCDetails 開關(guān)) 所示。
1 2 3 4 | [GC [DefNew: 3468K->150K(9216K), 0.0028638 secs][Tenured: 1562K->1712K(10240K), 0.0084220 secs] 3468K->1712K(19456K), [Perm : 377K->377K(12288K)], 0.0113816 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs] |
它顯示了一次垃圾回收前的新生代的內(nèi)存占用量和垃圾回收后的新生代內(nèi)存占用量，以及垃圾回收所消耗的時(shí)間。
老年代串行收集器
老年代串行收集器使用的是標(biāo)記-壓縮算法。和新生代串行收集器一樣，它也是一個(gè)串行的、獨(dú)占式的垃圾回收器。由于老年代垃圾回收通常會(huì)使用比新生代垃圾回收更長(zhǎng)的時(shí)間，因此，在堆空間較大的應(yīng)用程序中，一旦老年代串行收集器啟動(dòng)，應(yīng)用程序很可能會(huì)因此停頓幾秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間。雖然如此，老年代串行回收器可以和多種新生代回收器配合使用，同時(shí)它也可以作為 CMS 回收器的備用回收器。若要啟用老年代串行回收器，可以嘗試使用以下參數(shù)：-XX: UseSerialGC: 新生代、老年代都使用串行回收器。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | Heap def new generation total 4928K, used 1373K [0x27010000, 0x27560000, 0x2c560000) eden space 4416K, 31% used [0x27010000, 0x27167628, 0x27460000) from space 512K, 0% used [0x27460000, 0x27460000, 0x274e0000) to space 512K, 0% used [0x274e0000, 0x274e0000, 0x27560000) tenured generation total 10944K, used 0K [0x2c560000, 0x2d010000, 0x37010000) the space 10944K, 0% used [0x2c560000, 0x2c560000, 0x2c560200, 0x2d010000) compacting perm gen total 12288K, used 376K [0x37010000, 0x37c10000, 0x3b010000) the space 12288K, 3% used [0x37010000, 0x3706e0b8, 0x3706e200, 0x37c10000) ro space 10240K, 51% used [0x3b010000, 0x3b543000, 0x3b543000, 0x3ba10000) rw space 12288K, 55% used [0x3ba10000, 0x3c0ae4f8, 0x3c0ae600, 0x3c610000) |
如果使用-XX: UseParNewGC 參數(shù)設(shè)置，表示新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器，如清單 3 所示。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | Heap par new generation total 4928K, used 1373K [0x0f010000, 0x0f560000, 0x14560000) eden space 4416K, 31% used [0x0f010000, 0x0f167620, 0x0f460000) from space 512K, 0% used [0x0f460000, 0x0f460000, 0x0f4e0000) to space 512K, 0% used [0x0f4e0000, 0x0f4e0000, 0x0f560000) tenured generation total 10944K, used 0K [0x14560000, 0x15010000, 0x1f010000) the space 10944K, 0% used [0x14560000, 0x14560000, 0x14560200, 0x15010000) compacting perm gen total 12288K, used 2056K [0x1f010000, 0x1fc10000, 0x23010000) the space 12288K, 16% used [0x1f010000, 0x1f2121d0, 0x1f212200, 0x1fc10000)No shared spaces configured. |
如果使用-XX: UseParallelGC 參數(shù)設(shè)置，表示新生代和老年代均使用并行回收收集器。如清單 4 所示。
1 2 3 | [Full GC [Tenured: 1712K->1699K(10240K), 0.0071963 secs] 1712K->1699K(19456K), [Perm : 377K->372K(12288K)], 0.0072393 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] |
它顯示了垃圾回收前老年代和永久區(qū)的內(nèi)存占用量，以及垃圾回收后老年代和永久區(qū)的內(nèi)存使用量。
并行收集器
并行收集器是工作在新生代的垃圾收集器，它只簡(jiǎn)單地將串行回收器多線程化。它的回收策略、算法以及參數(shù)和串行回收器一樣。
并行回收器也是獨(dú)占式的回收器，在收集過程中，應(yīng)用程序會(huì)全部暫停。但由于并行回收器使用多線程進(jìn)行垃圾回收，因此，在并發(fā)能力比較強(qiáng)的 CPU 上，它產(chǎn)生的停頓時(shí)間要短于串行回收器，而在單 CPU 或者并發(fā)能力較弱的系統(tǒng)中，并行回收器的效果不會(huì)比串行回收器好，由于多線程的壓力，它的實(shí)際表現(xiàn)很可能比串行回收器差。
開啟并行回收器可以使用參數(shù)-XX: UseParNewGC，該參數(shù)設(shè)置新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | [GC [ParNew: 825K->161K(4928K), 0.0155258 secs][Tenured: 8704K->661K(10944K), 0.0071964 secs] 9017K->661K(15872K), [Perm : 2049K->2049K(12288K)], 0.0228090 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] Heap par new generation total 4992K, used 179K [0x0f010000, 0x0f570000, 0x14560000) eden space 4480K, 4% used [0x0f010000, 0x0f03cda8, 0x0f470000) from space 512K, 0% used [0x0f470000, 0x0f470000, 0x0f4f0000) to space 512K, 0% used [0x0f4f0000, 0x0f4f0000, 0x0f570000) tenured generation total 10944K, used 8853K [0x14560000, 0x15010000, 0x1f010000) the space 10944K, 80% used [0x14560000, 0x14e057c0, 0x14e05800, 0x15010000) compacting perm gen total 12288K, used 2060K [0x1f010000, 0x1fc10000, 0x23010000) the space 12288K, 16% used [0x1f010000, 0x1f213228, 0x1f213400, 0x1fc10000)No shared spaces configured. |
設(shè)置參數(shù)-XX: UseConcMarkSweepGC 可以要求新生代使用并行收集器，老年代使用 CMS。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | [GC [ParNew: 8967K->669K(14784K), 0.0040895 secs] 8967K->669K(63936K), 0.0043255 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] Heap par new generation total 14784K, used 9389K [0x03f50000, 0x04f50000, 0x04f50000) eden space 13184K, 66% used [0x03f50000, 0x047d3e58, 0x04c30000) from space 1600K, 41% used [0x04dc0000, 0x04e67738, 0x04f50000) to space 1600K, 0% used [0x04c30000, 0x04c30000, 0x04dc0000) concurrent mark-sweep generation total 49152K, used 0K [0x04f50000, 0x07f50000, 0x09f50000) concurrent-mark-sweep perm gen total 12288K, used 2060K [0x09f50000, 0x0ab50000, 0x0df50000) |
并行收集器工作時(shí)的線程數(shù)量可以使用-XX:ParallelGCThreads 參數(shù)指定。一般，最好與 CPU 數(shù)量相當(dāng)，避免過多的線程數(shù)影響垃圾收集性能。在默認(rèn)情況下，當(dāng) CPU 數(shù)量小于 8 個(gè)，ParallelGCThreads 的值等于 CPU 數(shù)量，大于 8 個(gè)，ParallelGCThreads 的值等于 3 [5*CPU_Count]/8]。以下測(cè)試顯示了筆者筆記本上運(yùn)行 8 個(gè)線程時(shí)耗時(shí)最短，本人筆記本是 8 核 IntelCPU。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | [GC [ParNew: 8967K->676K(14784K), 0.0036983 secs] 8967K->676K(63936K), 0.0037662 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] Heap par new generation total 14784K, used 9395K [0x040e0000, 0x050e0000, 0x050e0000) eden space 13184K, 66% used [0x040e0000, 0x04963e58, 0x04dc0000) from space 1600K, 42% used [0x04f50000, 0x04ff9100, 0x050e0000) to space 1600K, 0% used [0x04dc0000, 0x04dc0000, 0x04f50000) concurrent mark-sweep generation total 49152K, used 0K [0x050e0000, 0x080e0000, 0x0a0e0000) concurrent-mark-sweep perm gen total 12288K, used 2060K [0x0a0e0000, 0x0ace0000, 0x0e0e0000) |
1 2 | [GC [ParNew: 8967K->664K(14784K), 0.0207327 secs] 8967K->664K(63936K), 0.0208077 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.02 secs] |
1 2 | [GC [ParNew: 8967K->667K(14784K), 0.2323704 secs] 8967K->667K(63936K), 0.2324778 secs] [Times: user=0.34 sys=0.02, real=0.23 secs] |
1 2 | Error occurred during initialization of VMToo small new size specified |
新生代并行回收 (Parallel Scavenge) 收集器
新生代并行回收收集器也是使用復(fù)制算法的收集器。從表面上看，它和并行收集器一樣都是多線程、獨(dú)占式的收集器。但是，并行回收收集器有一個(gè)重要的特點(diǎn)：它非常關(guān)注系統(tǒng)的吞吐量。
新生代并行回收收集器可以使用以下參數(shù)啟用：
-XX: UseParallelGC:新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行收集器。
-XX: UseParallelOldGC:新生代和老年代都是用并行回收收集器。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | Heap PSYoungGen total 4800K, used 893K [0x1dac0000, 0x1e010000, 0x23010000) eden space 4160K, 21% used [0x1dac0000,0x1db9f570,0x1ded0000) from space 640K, 0% used [0x1df70000,0x1df70000,0x1e010000) to space 640K, 0% used [0x1ded0000,0x1ded0000,0x1df70000) ParOldGen total 19200K, used 16384K [0x13010000, 0x142d0000, 0x1dac0000) object space 19200K, 85% used [0x13010000,0x14010020,0x142d0000) PSPermGen total 12288K, used 2054K [0x0f010000, 0x0fc10000, 0x13010000) object space 12288K, 16% used [0x0f010000,0x0f2119c0,0x0fc10000) |
新生代并行回收收集器可以使用以下參數(shù)啟用：
-XX: MaxGCPauseMills:設(shè)置最大垃圾收集停頓時(shí)間，它的值是一個(gè)大于 0 的整數(shù)。收集器在工作時(shí)會(huì)調(diào)整 Java 堆大小或者其他一些參數(shù)，盡可能地把停頓時(shí)間控制在 MaxGCPauseMills 以內(nèi)。如果希望減少停頓時(shí)間，而把這個(gè)值設(shè)置得很小，為了達(dá)到預(yù)期的停頓時(shí)間，JVM 可能會(huì)使用一個(gè)較小的堆 (一個(gè)小堆比一個(gè)大堆回收快)，而這將導(dǎo)致垃圾回收變得很頻繁，從而增加了垃圾回收總時(shí)間，降低了吞吐量。
-XX: GCTimeRatio：設(shè)置吞吐量大小，它的值是一個(gè) 0-100 之間的整數(shù)。假設(shè) GCTimeRatio 的值為 n，那么系統(tǒng)將花費(fèi)不超過 1/(1 n) 的時(shí)間用于垃圾收集。比如 GCTimeRatio 等于 19，則系統(tǒng)用于垃圾收集的時(shí)間不超過 1/(1 19)=5%。默認(rèn)情況下，它的取值是 99，即不超過 1%的時(shí)間用于垃圾收集。
除此之外，并行回收收集器與并行收集器另一個(gè)不同之處在于，它支持一種自適應(yīng)的 GC 調(diào)節(jié)策略，使用-XX: UseAdaptiveSizePolicy 可以打開自適應(yīng) GC 策略。在這種模式下，新生代的大小、eden 和 survivor 的比例、晉升老年代的對(duì)象年齡等參數(shù)會(huì)被自動(dòng)調(diào)整，以達(dá)到在堆大小、吞吐量和停頓時(shí)間之間的平衡點(diǎn)。在手工調(diào)優(yōu)比較困難的場(chǎng)合，可以直接使用這種自適應(yīng)的方式，僅指定虛擬機(jī)的最大堆、目標(biāo)的吞吐量 (GCTimeRatio) 和停頓時(shí)間 (MaxGCPauseMills)，讓虛擬機(jī)自己完成調(diào)優(yōu)工作。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | Heap PSYoungGen total 4800K, used 893K [0x1dac0000, 0x1e010000, 0x23010000) eden space 4160K, 21% used [0x1dac0000,0x1db9f570,0x1ded0000) from space 640K, 0% used [0x1df70000,0x1df70000,0x1e010000) to space 640K, 0% used [0x1ded0000,0x1ded0000,0x1df70000) PSOldGen total 19200K, used 16384K [0x13010000, 0x142d0000, 0x1dac0000) object space 19200K, 85% used [0x13010000,0x14010020,0x142d0000) PSPermGen total 12288K, used 2054K [0x0f010000, 0x0fc10000, 0x13010000) object space 12288K, 16% used [0x0f010000,0x0f2119c0,0x0fc10000) |
它也顯示了收集器的工作成果，也就是回收前的內(nèi)存大小和回收后的內(nèi)存大小，以及花費(fèi)的時(shí)間。
老年代并行回收收集器
老年代的并行回收收集器也是一種多線程并發(fā)的收集器。和新生代并行回收收集器一樣，它也是一種關(guān)注吞吐量的收集器。老年代并行回收收集器使用標(biāo)記-壓縮算法，JDK1.6 之后開始啟用。
使用-XX: UseParallelOldGC 可以在新生代和老生代都使用并行回收收集器，這是一對(duì)非常關(guān)注吞吐量的垃圾收集器組合，在對(duì)吞吐量敏感的系統(tǒng)中，可以考慮使用。參數(shù)-XX:ParallelGCThreads 也可以用于設(shè)置垃圾回收時(shí)的線程數(shù)量。
清單 13 是設(shè)置線程數(shù)量為 100 時(shí)老年代并行回收收集器輸出日志：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | Heap PSYoungGen total 4800K, used 893K [0x1dac0000, 0x1e010000, 0x23010000) eden space 4160K, 21% used [0x1dac0000,0x1db9f570,0x1ded0000) from space 640K, 0% used [0x1df70000,0x1df70000,0x1e010000) to space 640K, 0% used [0x1ded0000,0x1ded0000,0x1df70000) ParOldGen total 19200K, used 16384K [0x13010000, 0x142d0000, 0x1dac0000) object space 19200K, 85% used [0x13010000,0x14010020,0x142d0000) PSPermGen total 12288K, used 2054K [0x0f010000, 0x0fc10000, 0x13010000) object space 12288K, 16% used [0x0f010000,0x0f2119c0,0x0fc10000) |
CMS 收集器
與并行回收收集器不同，CMS 收集器主要關(guān)注于系統(tǒng)停頓時(shí)間。CMS 是 Concurrent Mark Sweep 的縮寫，意為并發(fā)標(biāo)記清除，從名稱上可以得知，它使用的是標(biāo)記-清除算法，同時(shí)它又是一個(gè)使用多線程并發(fā)回收的垃圾收集器。
CMS 工作時(shí)，主要步驟有：初始標(biāo)記、并發(fā)標(biāo)記、重新標(biāo)記、并發(fā)清除和并發(fā)重置。其中初始標(biāo)記和重新標(biāo)記是獨(dú)占系統(tǒng)資源的，而并發(fā)標(biāo)記、并發(fā)清除和并發(fā)重置是可以和用戶線程一起執(zhí)行的。因此，從整體上來說，CMS 收集不是獨(dú)占式的，它可以在應(yīng)用程序運(yùn)行過程中進(jìn)行垃圾回收。
根據(jù)標(biāo)記-清除算法，初始標(biāo)記、并發(fā)標(biāo)記和重新標(biāo)記都是為了標(biāo)記出需要回收的對(duì)象。并發(fā)清理則是在標(biāo)記完成后，正式回收垃圾對(duì)象；并發(fā)重置是指在垃圾回收完成后，重新初始化 CMS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)，為下一次垃圾回收做好準(zhǔn)備。并發(fā)標(biāo)記、并發(fā)清理和并發(fā)重置都是可以和應(yīng)用程序線程一起執(zhí)行的。
CMS 收集器在其主要的工作階段雖然沒有暴力地徹底暫停應(yīng)用程序線程，但是由于它和應(yīng)用程序線程并發(fā)執(zhí)行，相互搶占 CPU，所以在 CMS 執(zhí)行期內(nèi)對(duì)應(yīng)用程序吞吐量造成一定影響。CMS 默認(rèn)啟動(dòng)的線程數(shù)是 (ParallelGCThreads 3)/4),ParallelGCThreads 是新生代并行收集器的線程數(shù)，也可以通過-XX:ParallelCMSThreads 參數(shù)手工設(shè)定 CMS 的線程數(shù)量。當(dāng) CPU 資源比較緊張時(shí)，受到 CMS 收集器線程的影響，應(yīng)用程序的性能在垃圾回收階段可能會(huì)非常糟糕。
由于 CMS 收集器不是獨(dú)占式的回收器，在 CMS 回收過程中，應(yīng)用程序仍然在不停地工作。在應(yīng)用程序工作過程中，又會(huì)不斷地產(chǎn)生垃圾。這些新生成的垃圾在當(dāng)前 CMS 回收過程中是無法清除的。同時(shí)，因?yàn)閼?yīng)用程序沒有中斷，所以在 CMS 回收過程中，還應(yīng)該確保應(yīng)用程序有足夠的內(nèi)存可用。因此，CMS 收集器不會(huì)等待堆內(nèi)存飽和時(shí)才進(jìn)行垃圾回收，而是當(dāng)前堆內(nèi)存使用率達(dá)到某一閾值時(shí)，便開始進(jìn)行回收，以確保應(yīng)用程序在 CMS 工作過程中依然有足夠的空間支持應(yīng)用程序運(yùn)行。
這個(gè)回收閾值可以使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 來指定，默認(rèn)是 68。即當(dāng)老年代的空間使用率達(dá)到 68%時(shí)，會(huì)執(zhí)行一次 CMS 回收。如果應(yīng)用程序的內(nèi)存使用率增長(zhǎng)很快，在 CMS 的執(zhí)行過程中，已經(jīng)出現(xiàn)了內(nèi)存不足的情況，此時(shí)，CMS 回收將會(huì)失敗，JVM 將啟動(dòng)老年代串行收集器進(jìn)行垃圾回收。如果這樣，應(yīng)用程序?qū)⑼耆袛?，直到垃圾收集完成，這時(shí)，應(yīng)用程序的停頓時(shí)間可能很長(zhǎng)。因此，根據(jù)應(yīng)用程序的特點(diǎn)，可以對(duì)-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 進(jìn)行調(diào)優(yōu)。如果內(nèi)存增長(zhǎng)緩慢，則可以設(shè)置一個(gè)稍大的值，大的閾值可以有效降低 CMS 的觸發(fā)頻率，減少老年代回收的次數(shù)可以較為明顯地改善應(yīng)用程序性能。反之，如果應(yīng)用程序內(nèi)存使用率增長(zhǎng)很快，則應(yīng)該降低這個(gè)閾值，以避免頻繁觸發(fā)老年代串行收集器。
標(biāo)記-清除算法將會(huì)造成大量?jī)?nèi)存碎片，離散的可用空間無法分配較大的對(duì)象。在這種情況下，即使堆內(nèi)存仍然有較大的剩余空間，也可能會(huì)被迫進(jìn)行一次垃圾回收，以換取一塊可用的連續(xù)內(nèi)存，這種現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)性能是相當(dāng)不利的，為了解決這個(gè)問題，CMS 收集器還提供了幾個(gè)用于內(nèi)存壓縮整理的算法。
-XX: UseCMSCompactAtFullCollection 參數(shù)可以使 CMS 在垃圾收集完成后，進(jìn)行一次內(nèi)存碎片整理。內(nèi)存碎片的整理并不是并發(fā)進(jìn)行的。-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 參數(shù)可以用于設(shè)定進(jìn)行多少次 CMS 回收后，進(jìn)行一次內(nèi)存壓縮。
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 設(shè)置為 100，同時(shí)設(shè)置-XX: UseCMSCompactAtFullCollection 和-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction，日志輸出如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | [GC [DefNew: 825K->149K(4928K), 0.0023384 secs][Tenured: 8704K->661K(10944K), 0.0587725 secs] 9017K->661K(15872K), [Perm : 374K->374K(12288K)], 0.0612037 secs] [Times: user=0.01 sys=0.02, real=0.06 secs] Heap def new generation total 4992K, used 179K [0x27010000, 0x27570000, 0x2c560000) eden space 4480K, 4% used [0x27010000, 0x2703cda8, 0x27470000) from space 512K, 0% used [0x27470000, 0x27470000, 0x274f0000) to space 512K, 0% used [0x274f0000, 0x274f0000, 0x27570000) tenured generation total 10944K, used 8853K [0x2c560000, 0x2d010000, 0x37010000) the space 10944K, 80% used [0x2c560000, 0x2ce057c8, 0x2ce05800, 0x2d010000) compacting perm gen total 12288K, used 374K [0x37010000, 0x37c10000, 0x3b010000) the space 12288K, 3% used [0x37010000, 0x3706db10, 0x3706dc00, 0x37c10000) ro space 10240K, 51% used [0x3b010000, 0x3b543000, 0x3b543000, 0x3ba10000) rw space 12288K, 55% used [0x3ba10000, 0x3c0ae4f8, 0x3c0ae600, 0x3c610000) |
G1 收集器 (Garbage First)
G1 收集器的目標(biāo)是作為一款服務(wù)器的垃圾收集器，因此，它在吞吐量和停頓控制上，預(yù)期要優(yōu)于 CMS 收集器。
與 CMS 收集器相比，G1 收集器是基于標(biāo)記-壓縮算法的。因此，它不會(huì)產(chǎn)生空間碎片，也沒有必要在收集完成后，進(jìn)行一次獨(dú)占式的碎片整理工作。G1 收集器還可以進(jìn)行非常精確的停頓控制。它可以讓開發(fā)人員指定當(dāng)停頓時(shí)長(zhǎng)為 M 時(shí)，垃圾回收時(shí)間不超過 N。使用參數(shù)-XX: UnlockExperimentalVMOptions –XX: UseG1GC 來啟用 G1 回收器，設(shè)置 G1 回收器的目標(biāo)停頓時(shí)間：-XX:MaxGCPauseMills=20,-XX:GCPauseIntervalMills=200。
通過清單 15 所示代碼運(yùn)行 1 萬次循環(huán)，每次分配 512*100B 空間，采用不同的垃圾回收器，輸出程序運(yùn)行所消耗的時(shí)間。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | import java.util.HashMap;public class GCTimeTest { static HashMap map = new HashMap(); public static void main(String[] args){ long begintime = System.currentTimeMillis(); for(int i=0;i<10000;i ){ if(map.size()*512/1024/1024>=400){ map.clear();//保護(hù)內(nèi)存不溢出 System.out.println('clean map'); } byte[] b1; for(int j=0;j<100;j ){ b1 = new byte[512]; map.put(System.nanoTime(), b1);//不斷消耗內(nèi)存 } } long endtime = System.currentTimeMillis(); System.out.println(endtime-begintime); }} |
使用參數(shù)-Xmx512M -Xms512M -XX: UseParNewGC 運(yùn)行代碼，輸出如下：
clean map 8565
cost time=1655
使用參數(shù)-Xmx512M -Xms512M -XX: UseParallelOldGC –XX:ParallelGCThreads=8 運(yùn)行代碼，輸出如下：
clean map 8798
cost time=1998
使用參數(shù)-Xmx512M -Xms512M -XX: UseSerialGC 運(yùn)行代碼，輸出如下：
clean map 8864
cost time=1717
使用參數(shù)-Xmx512M -Xms512M -XX: UseConcMarkSweepGC 運(yùn)行代碼，輸出如下：
clean map 8862
cost time=1530
上面例子的 GC 輸出可以看出，采用不同的垃圾回收機(jī)制及設(shè)定不同的線程數(shù)，對(duì)于代碼段的整體執(zhí)行時(shí)間有較大的影響。需要讀者有針對(duì)性地選用適合自己代碼段的垃圾回收機(jī)制。
1. 與串行回收器相關(guān)的參數(shù)
-XX: UseSerialGC:在新生代和老年代使用串行回收器。
-XX: SuivivorRatio:設(shè)置 eden 區(qū)大小和 survivor 區(qū)大小的比例。
-XX: PretenureSizeThreshold:設(shè)置大對(duì)象直接進(jìn)入老年代的閾值。當(dāng)對(duì)象的大小超過這個(gè)值時(shí)，將直接在老年代分配。
-XX:MaxTenuringThreshold:設(shè)置對(duì)象進(jìn)入老年代的年齡的最大值。每一次 Minor GC 后，對(duì)象年齡就加 1。任何大于這個(gè)年齡的對(duì)象，一定會(huì)進(jìn)入老年代。
2. 與并行 GC 相關(guān)的參數(shù)
-XX: UseParNewGC: 在新生代使用并行收集器。
-XX: UseParallelOldGC: 老年代使用并行回收收集器。
-XX:ParallelGCThreads：設(shè)置用于垃圾回收的線程數(shù)。通常情況下可以和 CPU 數(shù)量相等。但在 CPU 數(shù)量比較多的情況下，設(shè)置相對(duì)較小的數(shù)值也是合理的。
-XX:MaxGCPauseMills：設(shè)置最大垃圾收集停頓時(shí)間。它的值是一個(gè)大于 0 的整數(shù)。收集器在工作時(shí)，會(huì)調(diào)整 Java 堆大小或者其他一些參數(shù)，盡可能地把停頓時(shí)間控制在 MaxGCPauseMills 以內(nèi)。
-XX:GCTimeRatio:設(shè)置吞吐量大小，它的值是一個(gè) 0-100 之間的整數(shù)。假設(shè) GCTimeRatio 的值為 n，那么系統(tǒng)將花費(fèi)不超過 1/(1 n) 的時(shí)間用于垃圾收集。
-XX: UseAdaptiveSizePolicy:打開自適應(yīng) GC 策略。在這種模式下，新生代的大小，eden 和 survivor 的比例、晉升老年代的對(duì)象年齡等參數(shù)會(huì)被自動(dòng)調(diào)整，以達(dá)到在堆大小、吞吐量和停頓時(shí)間之間的平衡點(diǎn)。
3. 與 CMS 回收器相關(guān)的參數(shù)
-XX: UseConcMarkSweepGC: 新生代使用并行收集器，老年代使用 CMS 串行收集器。
-XX: ParallelCMSThreads: 設(shè)定 CMS 的線程數(shù)量。
-XX: CMSInitiatingOccupancyFraction:設(shè)置 CMS 收集器在老年代空間被使用多少后觸發(fā)，默認(rèn)為 68%。
-XX: UseFullGCsBeforeCompaction:設(shè)定進(jìn)行多少次 CMS 垃圾回收后，進(jìn)行一次內(nèi)存壓縮。
-XX: CMSClassUnloadingEnabled:允許對(duì)類元數(shù)據(jù)進(jìn)行回收。
-XX: CMSParallelRemarkEndable:啟用并行重標(biāo)記。
-XX:CMSInitatingPermOccupancyFraction:當(dāng)永久區(qū)占用率達(dá)到這一百分比后，啟動(dòng) CMS 回收 (前提是-XX: CMSClassUnloadingEnabled 激活了)。
-XX:UseCMSInitatingOccupancyOnly:表示只在到達(dá)閾值的時(shí)候，才進(jìn)行 CMS 回收。
-XX: CMSIncrementalMode:使用增量模式，比較適合單 CPU。
4. 與 G1 回收器相關(guān)的參數(shù)
-XX: UseG1GC：使用 G1 回收器。
-XX: UnlockExperimentalVMOptions:允許使用實(shí)驗(yàn)性參數(shù)。
-XX: MaxGCPauseMills:設(shè)置最大垃圾收集停頓時(shí)間。
-XX: GCPauseIntervalMills:設(shè)置停頓間隔時(shí)間。
5. 其他參數(shù)
-XX: DisableExplicitGC: 禁用顯示 GC。
通過本文的學(xué)習(xí)，讀者可以掌握基本的 JVM 垃圾回收器設(shè)計(jì)原理及使用規(guī)范?；诠P者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，沒有哪一條優(yōu)化是可以照本宣科的，它一定是基于您對(duì) JVM 垃圾回收器工作原理及自身程序設(shè)計(jì)有一定了解前提下，通過大量的實(shí)驗(yàn)來找出最適合自己的優(yōu)化方案。
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