常用垃圾回收器对比

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背景

两种标记算法

算法	说明	特点
引用计数法	在堆内存中分配对象时，会为对象分配一段额外的空间，这个空间用于维护一个计数器：如果有一个新的引用指向这个对象，则计数器+1 如果指向该对象的引用被置空或指向其它对象，则计数器-1 当计数器的值为0时，则自动删除这个对象。	1.循环引用问题 2.多线程维护计数器问题
可达性分析法	以根集合（GCRoot）作为起始点，从这些节点出发，根据引用关系开始搜索，所经过的路径称为引用链，当一个对象没有被任何引用链访问到时，则证明此对象是不活跃的，可以被回收

什么是循环引用？

有对象 A 和对象 B，对象 A 中含有对象 B 的引用，对象 B 中含有对象 A 的引用。此时，对象 A 和对象 B 的引用计数器都不为 0。但是在系统中却不存在任何第 3 个对象引用了 A 或 B。也就是说，A 和 B 是应该被回收的垃圾对象，但由于垃圾对象间相互引用，从而使垃圾回收器无法识别，引起内存泄漏。

可以作为GCRoot的对象

序号	对象	范围	描述
1	方法区中的类静态属性引用的对象	全局对象	Class对象。
2	方法区中常量引用的对象	全局对象	例如字符串常量池，本身初始化后不再改变。
3	虚拟机栈中（栈帧中的本地变量表）引用的对象	执行上下文	属于执行上下文中的对象，线程在执行方法时，会将方法打包成一个栈帧入栈执行，方法里用到的局部变量会存放到栈帧的本地变量表中。只要方法还在运行，还没出栈，就意味这本地变量表的对象还会被访问，GC就不应该回收，所以这一类对象也可作为GC Roots。
4	本地方法栈中 JNI（Native 方法）引用的对象	执行上下文	类似虚拟机栈中引用对象，区别是native方法。
5	被同步锁持有的对象	执行上下文	当前有线程持有对象锁的情况下，被synchronized锁住的对象不能回收，否则会导致锁失效。

什么是GCRoot？

JVM确定当前绝对不能被回收的对象。

常见垃圾回收算法

算法	说明	适用场景	特点
标记-复制	标记阶段：从根节点开始标记所有被引用的对象（活动对象）复制阶段：内存被划分为两个大小相同区域，每一次只使用一个区域，回收时将存活对象复制到另一个区域，再清空原区域	适用于年轻代：存活对象较少的情况	需要两倍内存空间需要复制移动对象
标记-清除	标记阶段：从根节点开始标记所有被引用的对象（活动对象）清除阶段：将未标记的对象清除	适用于老年代：存活对象较多的情况	因为清理后内存空间不连续，容易产生内存碎片
标记-整理	标记阶段：从根节点开始标记所有被引用的对象（活动对象）整理阶段：将存活对象向头部移动，然后清除尾部以外的内存	适用于存活对象较少的情况	不会产生内存碎片效率低于标记-清除算法

主要的垃圾回收性能指标

指标	描述
更高的GC效率	GC线程串行独占式运行，没有线程切换开销，且运行时暂停所有用户线程，能以最高效率回收非存活对象。
更高的吞吐量	吞吐量指在应用程序的生命周期内，应用程序所花费的时间和系统总运行时间的比值。 GC线程运行时会暂停用户线程，用户线程暂停时间越短，用户线程运行时间越长，系统吞吐量越高。
更短的STW停顿时间	GC线程并发运行，用户线程单次暂停时间越短，系统响应时间越短。

什么是STW？

STW全称Stop The World，即GC线程运行时暂停其它用户线程，为了保持对象引用关系不变，GC时能够准确的标记出存活对象。

常见垃圾回收器

回收器	内存区间	回收算法	GC线程运行方式	GC线程工作模式	STW停顿时间	优先指标	适用CPU核数	主要特性	描述
Serial	新生代	标记-复制	串行	独占	停顿	更高的GC效率	单核	1.GC时会暂停所有应用线程	适合堆空间较小、单核CPU串行的收集器
ParNew	新生代	标记-复制	并行	独占	停顿	更短的STW停顿时间	多核	1.多核CPU情况下，GC线程并行以减少STW耗时，单核CPU则会因为线程切换效率更差	相当于Serial的多线程版本，一般和CMS配合使用
Parallel Scavenge	新生代	标记-复制	并行	独占	停顿	更高的吞吐量	多核	1.能控制最大STW停顿时间，以高效利用CPU实现更高的吞吐量	适合多核CPU，不需要太多交互的场景并行的收集器
Serial Old（PS MarkSweep）	老年代	标记-整理	串行	独占	停顿	更高的GC效率	单核	1.GC时会暂停所有应用线程 2.老年代存活对象较多，因此整理而不是复制	Serial的老年代版本适合单核CPU串行的收集器（Parallel MarkSweep 和 Serial Old 实现相似）
Parallel Old	老年代	标记-整理	并行	独占	停顿	更高的吞吐量	多核	1.多核CPU情况下，GC线程并行以减少STW耗时	Parallel Scavenge的老年代版本
CMS	老年代	标记-清除	并行	并发	小停顿	更短的STW停顿时间	多核	1.拆分标记阶段以降低STW停顿时间 2.清除时内存碎片较多	为了GC线程与用户线程并发，共用内存，故采用清除算法而不是复制算法
G1		标记-整理/标记-复制	并行	并发	可预测小停顿	更短的STW停顿时间	多核	1.可预测STW停顿时间	适合多核CPU不划分连续的年轻代和老年代；通过计算老年代对象效益率，优先回收最大效益对象，来预测停顿时间
ZGC		标记-复制	并行	并发	更小停顿	更短的STW停顿时间	多核	1.极短的STW停顿时间，可能降低吞吐量	适合对长尾请求P99要求高的系统

CMS

什么是CMS?

CMS全称Concurrent Mark Sweep，是一款以低停顿为目标的垃圾回收器，这个回收器是一款真正意义的并发收集器。

CMS是针对老年代的垃圾回收器，采用了标记-清除算法。

CMS的GC过程

序号	GC步骤	是否STW	与用户线程	说明
1	初始标记	STW	GC线程可并行用户线程停顿	从GC Root出发，标记所有GC Root直接关联的老年代存活的对象（可达性分析）只有STW的时候才能准确标记到存活对象
2	并发标记	否	GC线程与用户线程并发	从初始标记的对象开始，遍历整个对象引用链，标记GC Root最终可达存活对象并发标记与用户线程并发过程中，部分引用关系已变化，JVM将已变化的区域标记为“脏区”，预先找到“脏区”并刷新引用关系
3	最终标记/重新标记	STW	用户线程停顿	重新从GC Root出发标记所有的存活对象
4	并发清理	否	GC线程与用户线程并发	清理非存活对象，老年代的存活对象较多，因此只清理非存活对象
5	并发重置	否	GC线程与用户线程并发	重新调整堆大小，重置卡表的标记等

卡表和脏区：

YGC时为了标记活动标记对象除了从GC Root开始扫描外, 另外还有老年代里也会引用新生代对象。所以正常来说还要扫描一次老年代，如果是扫描整个老年代（相当于将整个老年代作为GC Root）这将会随着堆的增大变得越来越慢，特别是现在内存都越来越大了。所以为了提升性能就引入卡表。

逻辑上把老年代内存分成一个个大小相等的卡片，然后对每个卡片准备一个与其对应的标记位,并将这些位集中起管理就好像一个表格一样，改写对象引用是从老年代指向新生代时，在老年代对应的卡片标记位上设置标志位即可，通常这样的卡片我们称之为“脏区”。

btye[i] = 1 就表示第i + 1 卡片所在内存上有指向新生代引用的老年代对象，这时只要tracing这个卡片上的对象即可。

如果每个card大小的是128字节(1024位，)那卡表就只占整个老年代的1/1024之一。所以遍历卡表的时间会远比遍历整个老年代快得多。

CMS的特点

序号	特点
1	以降低响应速度优先，只在初始标记阶段+最终标记阶段会STW，其它标记阶段GC线程和用户线程并发运行，尽可能减少标记阶段STW时间
2	无法控制STW的耗时，耗时与扫描对象个数正相关，耗时随堆内存的增大而增加
3	清除非存活对象会产生内存碎片，不过CMS会在FGC进行内存压缩，当回收的堆空间不够，则会回退到Serial Old进行标记-整理，最终导致STW变长
4	因为标记阶段GC线程并发，会占用CPU资源，最终导致吞吐量下降
5	因为标记阶段为了保证标记到所有存活对象，一些非存活对象也被标记成了存活对象，只能等下一次GC

G1

什么是G1?

G1的内存模型

G1的GC过程

ZGC

什么是ZGC?

ZGC收集器是一款基于Region内存布局的,(暂时)不设分代的,使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-整理算法的,以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。

ZGC的GC过程

总结

CMS、G1和ZGC特性对比

	CMS	G1	ZGC

某运价系统从PS Scavenge和PS MarkSweep切换为ZGC后的效果

请求平均耗时（缺失P99监控），从15ms降低到10ms，效果明显

GC次数增多，GC时间从35ms降低到3ms

新的ZGC Pauses平均次数=3.9次/秒

新的ZGC Pauses GC平均耗时=3.31ms

旧的年轻代PS Scavenge YGC平均次数=0.1521次/秒

旧的年轻代PS Scavenge YGC平均耗时=35ms

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