JVM原理讲解和调优（二）

3.4JVM分别对新生代和老年代采用不同的垃圾回收机制

3.4.1新生代的GC

新生代通常存活时间较短，因此基于复制算法来进行回收，所谓复制算法就是扫描出存活的对象，并复制到一块新的完全未使用的空间中.

对应于新生代：就是在Eden和其中一个Survivor，复制到另一个之间Survivor空间中，然后清理掉原来就是在Eden和其中一个Survivor中的对象。在执行机制上JVM提供了串行GC（Serial Old）、并行 回收 GC（parallel Old）和并发GC。

并发和并行的区别

新生代常见的垃圾收集器

1）串行GC（Serial GC）

   在整个扫描和复制过程采用单线程的方式来进行，主要用在嵌入式等内存比较小的程序，是client级别默认的GC方式，可以通过-XX:+UseSerialGC来强制指定

2）并行回收GC（Parallel Scavenge）

   多条垃圾收集起并行工作，但是用户线程时阻塞的，适用于交互性比较弱的场景，是server级别默认采用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC来强制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4来指定线程数。Parallel Scavenge（-XX:+UseParallelGC）框架下，默认是在要触发full GC前先执行一次young GC，并且两次GC之间能让应用程序稍微运行一小下，以期降低full GC的暂停时间（因为young GC会尽量清理了young gen的死对象，减少了full GC的工作量）

3）并发GC （ParNew）

用户线程和垃圾回收器并发执行，适用于响应时间优先,交互性比较强的场景，并发GC的触发条件就不太一样。以CMS GC (-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC)为例，它主要是定时去检查old gen的使用量，当使用量超过了触发比例就会启动一次CMS GC，对old gen做并发收集

3.4.2老年代的GC

  老年代与新生代不同，对象存活的时间比较长，比较稳定，因此采用标记（Mark）算法来进行回收，CMS用标记清除，G1用标记整理。在执行机制上JVM提供了串行GC（Serial Old）、并行 回收 GC（parallel Old）和并发GC。[CMS (-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC), G1(-XX:UseG1GC)]，具体算法细节还有待进一步深入研究。

老年代常见的垃圾收集器

3.4.2.1 Serial Old(标记整理算法)

3.4.2.2 Parallel Old(标记整理算法)

3.4.2.3 CMS 收集器

优点：并发收集、低停顿。

缺点：

1）CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。

2）CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能会出现“Concurrent Mode Failure（并发模式故障）”失败而导致Full GC产生。

3）CMS是一款“标记--清除”算法实现的收集器，容易出现大量空间碎片。当空间碎片过多，将会给大对象分配带来很大的麻烦，往往会出现老年代还有很大空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次Full GC。

 

CMS过程：

初始标记 ：（STW ）在这个阶段，需要虚拟机停顿正在执行的任务，官方的叫法STW(Stop The Word)。这个过程从垃圾回收的"根对象"开始，只扫描到能够和"根对象"直接关联的对象，并作标记。所以这个过程虽然暂停了整个JVM，但是很快就完成了。

并发标记 ：这个阶段紧随初始标记阶段，在初始标记的基础上继续向下追溯标记。并发标记阶段，应用程序的线程和并发标记的线程并发执行，所以用户不会感受到停顿。

重新标记 ：（STW ）这个阶段会暂停虚拟机，收集器线程扫描在CMS堆中剩余的对象。扫描从"根对象"开始向下追溯，并处理对象关联。

并发清理 ：清理垃圾对象，这个阶段收集器线程和应用程序线程并发执行。

相关参数：

-XX:ConcGCThreads：并发的 GC 线程数

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC 之后做压缩

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次 FullGC之后压缩一次

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：触发 FullGC

-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：是否动态可调

-XX:+CMSScavengeBeforeRemark：FullGC之前先做 YGC

-XX:+CMSClassUnloadingEnable：启用回收Perm 区

 

3.4.3 G1收集器（介于新生代和老年代之间的垃圾收集器，复制+标记整理算法）

G1 jdk8开始，推荐使用（重点学习，jdk9中已经设为默认垃圾收集器）

G1（global concurrent marking）的执行过程分为五个步骤：

初始标记（initial mark，STW）

在此阶段，G1 GC 对根进行标记。该阶段与常规的 (STW) 年轻代垃圾回收密切相关。

并发标记（Concurrent Marking）

G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被 STW 年轻代垃圾回收中断

最终标记（Remark，STW）

该阶段是 STW 回收，帮助完成标记周期。G1 GC 清空 SATB 缓冲区，跟踪未被访问的存活对象，并执行引用处理。把Rember Set log的数据合并到Rember Set中

清除垃圾（Cleanup，STW）

 

G1具备如下特点：

1、并行于并发：G1能充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者CPU核心）来缩短Stop-The-World停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让java程序继续执行。

2、分代收集：虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但是还是保留了分代的概念。它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间，熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。

3、空间整合：与CMS的“标记--清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器；从局部上来看是基于“复制”算法实现的。

4、可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一个大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点，但Ｇ1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，

 

G1的几个概念

Region

传统的GC收集器将连续的内存空间划分为新生代、老年代和永久代（JDK 8去除了永久代，引入了元空间Metaspace），这种划分的特点是各代的存储地址（逻辑地址，下同）是连续的。如下图所示：

而G1的各代存储地址是不连续的，每一代都使用了n个不连续的大小相同的Region，每个Region占有一块连续的虚拟内存地址。如下图所示：

在上图中，我们注意到还有一些Region标明了H，它代表Humongous，这表示这些Region存储的是巨大对象（humongous object，H-obj），即大小大于等于region一半的对象

为了减少连续H-objs分配对GC的影响，需要把大对象变为普通的对象，建议增大Region size。

一个Region的大小可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize设定，取值范围从1M到32M，且是2的指数。如果不设定，那么G1会根据Heap大小自动决定

SATB

Snapshot-At-The-Beginning，由字面理解，是GC开始时活着的对象的一个快照。它是通过Root Tracing得到的，作用是维持并发GC的正确性。

那么它是怎么维持并发GC的正确性的呢？根据三色标记算法，我们知道对象存在三种状态：

• 白：对象没有被标记到，标记阶段结束后，会被当做垃圾回收掉。
• 灰：对象被标记了，但是它的field还没有被标记或标记完。
• 黑：对象被标记了，且它的所有field也被标记完了。

RSet

记录了其他 Region中的对象引用本 Region 中对象的关系，全称是Remembered Set，是辅助GC过程的一种结构，典型的空间换时间工具。逻辑上说每个Region都有一个RSet，RSet记录了其他Region中的对象引用本Region中对象的关系，属于points-into结构（谁引用了我的对象），而Card Table则是一种points-out（我引用了谁的对象）的结构

上图中有三个Region，每个Region被分成了多个Card，在不同Region中的Card会相互引用，Region1中的Card中的对象引用了Region2中的Card中的对象，蓝色实线表示的就是points-out的关系，而在Region2的RSet中，记录了Region1的Card，即红色虚线表示的关系，这就是points-into。

G1提供了两种GC模式，Young GC和Mixed GC，两种都是完全Stop The World的

YoungGC

新对象进入 Eden 区

存活对象拷贝到Survivor 区

存活时间达到年龄阈值时，对象晋升到 Old 区

MixedGC

不是 FullGC，选定所有年轻代里的Region，外加根据global concurrent marking统计得出收益高的若干老年代Region

MixedGC时机

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent   堆占有率到达这个数值时触发global concurrent marking，默认45%

-XX:G1HeapWastePercent   在global concurrent marking可以知道区有多少空间可以被回收，YGC和Mixed GC之间判断垃圾占比是否到达此参数，到达了才会发生Mixed GC

-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent

-XX:G1MixedGCCountTarget

-XX:G1OldGCSetRegionThresholdPercent

-XX:+UseG1GC 开启 G1

-XX:G1HeapRegionSize=n， Region 的大小，1-32M，最多2048个

-XX:MaxGCPauseMillis=200 最大停顿时间

-XX:G1NewSizePercent、-XX:G1MaxNewSizePercent

-XX:G1ReservePercent=10 保留防止 to space溢出

-XX:ParallelGCThreads=n SWT线程数

-XX:ConcGCThreads=n 并发线程数=1/4*并行

需要切换到 G1的情况：

1. 50%以上的堆被存活对象占用

2. 对象分配和晋升的速度变化非常大

3. 垃圾回收时间特别长，超过了1秒

3.4.4 GC机制的组合适用

以上各种GC机制是需要组合使用的，指定方式由下表所示：

标题

3.4.5  GC 日志的分析

打印日志相关参数：

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:$CATALINA_HOME/logs/gc.log -XX:+PrintHeapAtGC -XX:+PrintTenuringDistribution

例（默认为 ParallelGC, 其它的添加-XX:+UseConcMarkSweepGC或-XX:+UseG1GC即可）：

JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:$CATALINA_HOME/logs/gc.log"

CMS日志格式（   -XX:+UseConcMarkSweepGC）

G1日志格式YCG

G1日志 global concurrent marking

G1日志 MixedGC

下面的文章是具体实战下的各种情况调优，虽然里面的日志格式不是最新的但是，但是大部分是可以复用的

CMS日志格式

G1日志格式

可视化工具分析GC日志

Universal JVM GC analyzer - Java Garbage collection log analysis made easy 在线工具

GCViewer   mvn clean package -Dmaven.test.skip 生成 jar包，双击执行，导入日志即可进入图形化分析页面