Serial收集器

單線程收集器，收集時會暫停所有工作線程（Stop The World），虛擬機運行在Client模式時的默認(rèn)新生代收集器。

1. 最早的收集器，單線程進(jìn)行GC
2. New和Old Generation 都可以使用
3. 在新生代，采用復(fù)制算法那；在老年代，采用Mark-Compact算法
4. 因為是單線程GC, 沒有多線程切換的額外開銷，簡單使用

5. Hotspot Client模式缺省的收集器

   
   
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ParNew收集器

ParNew收集器就是Serial的多線程版本，除了多個收集器線程外，其余行為包括算法、STW、對象分配規(guī)則、回收策略等都與Serial收集器一模一樣。
對應(yīng)的這種收集器是虛擬機運行在Server模式的默認(rèn)新生代收集器，在單CPU環(huán)境中，ParNew收集器并不會比Serial收集器有更好的效果。

1. Serial收集器在新生代的多線程版本
2. 使用復(fù)制算法（針對新生代）
3. 只有在多CPU的環(huán)境下，效率才會比Serial收集器高
4. 可以通過-XX:ParallelGCThreads來控制GC的線程數(shù)。需要結(jié)合具體的CPU個數(shù)
5. Server模式下新生代的缺省收集器

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge 收集器也是一個多線程收集器，也是使用復(fù)制算法，但它的對象分配規(guī)則與回收策略都與ParNew收集器有所不同，它是以吞吐量最大化（即GC時間占總運行時間最?。槟繕?biāo)的收集器實現(xiàn)，它允許較長時間的STW換區(qū)總吞吐量最大化。

Serial Old收集器

Serial Old是單線程收集器，使用標(biāo)記-整理算法，是老年代回收器。

Parallel Old收集器

老年代版本吞吐量優(yōu)先收集器，使用多線程和標(biāo)記-整理算法，JVM1.6提供，在此之前，新生代使用了PS收集器算法的話，老年代除Serial Old外別無選擇，應(yīng)為PS無法與CMS收集器配合工作。

1. Parallel Scavenge在老年代實現(xiàn)
2. 采用多線程，Mark-Compact算法
3. 更注重吞吐量
4. PS+PO = 高吞出量，但GC停頓可能不理想。

CMS收集器

CMS是一種以最短停頓時間為目標(biāo)的收集器，使用CMS并不能達(dá)到GC效率效率最高（總體GC時間最?。?，但它能盡可能降低GC時服務(wù)的停頓時間，CMS收集器使用的標(biāo)記-清除算法。

1. 追求最短停頓時間，非常適合Web引用
2. 只針對老年區(qū)，一般結(jié)合ParNew使用
3. Concurrent， GC線程和用戶線程并發(fā)工作（盡量并發(fā)）。
4. 使用Mark-Sweep算法
5. 只有在多CPU環(huán)境下才有意義
6. 使用-XX:+UseConcMarkSweepGC打開
   CMS收集器缺點：
7. CMS以犧牲CPU資源的代價來減少用戶線程的停頓。當(dāng)CPU個數(shù)少于4的時候，有可能對吞吐量影響非常大。
8. CMS在并發(fā)清理的過程中，用戶線程還在跑。這時候需要預(yù)留一部分空間給用戶線程。
9. CMS用Mark-Sweep，會帶來碎片問題。碎片過多的時候容易頻繁觸發(fā)Full GC。
   CMS是基于”標(biāo)記-清除“算法實現(xiàn)的，這個過程分為4個步驟：

• 初始標(biāo)記（CMS initial mark）
  初始標(biāo)記只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)的對象，速度很快。
• 并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）
  就是GC Roots Tracing的過程
• 重新標(biāo)記（CMS remark）
  為了修正并發(fā)標(biāo)記標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動的那一部分對象的標(biāo)記記錄，這個階段的停頓時間一般會比初始標(biāo)記階段稍長一些，當(dāng)遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記時間短。
• 并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）
  其中，初始標(biāo)記和重新標(biāo)記這兩個步驟仍然需要 STW
  CMS收集器在整個過程中耗時最長的的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除過程收集器線程都可以與用戶線程一起工作。因此，從總體上看，CMS收集器的內(nèi)存回收過程是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的。

詳細(xì)過程解析

1. Initial Mark
   這是CMS兩次stop-the-world事件的其中一次，這個階段的目標(biāo)是：標(biāo)記那些直接被GC root引用或者被年輕代存活對象所引用的所有對象。

   
   
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2. Concurrent Mark
   在這個階段Garbage Collector會遍歷老年代，然后標(biāo)記所有存活對象，它會根據(jù)上個階段找到的GC Roots遍歷查找。并發(fā)標(biāo)記階段，它會與用戶的應(yīng)用程序并發(fā)運行，并不是老年代所有的存活對象都會標(biāo)記，因為在并發(fā)期間用戶的程序可能會改變一些引用。

   
   
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   在上面的圖中，與階段1的圖進(jìn)行對比，就會發(fā)現(xiàn)有一個對象的引用已經(jīng)發(fā)生了變化。

3. Concurrent Preclean
   這是一個并發(fā)階段，與應(yīng)用線程并發(fā)運行，并不會stop應(yīng)用的線程。在并發(fā)運行的過程中，一些對象的引用可能會發(fā)生變變化，但是這種情況發(fā)生時，JVM會將這個對象的區(qū)域（Card）標(biāo)記為Dirty，這也就是Card Marking

   
   
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   在pre-clean階段，那些能夠從Dirty對象到達(dá)的對象也會被標(biāo)記，這個標(biāo)記做完之后，dirty card標(biāo)記就會被清除了。

   
   
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4. Concurrent Abortable Preclean
   這也是一個并發(fā)階段，但是同樣不會影響用戶的應(yīng)用線程，這個階段是為了盡量承擔(dān)STW中最終的標(biāo)記階段的工作。這個階段持續(xù)時間依賴于很多的因素，由于這個階段是在重復(fù)做很多相同的工作，直接滿足一些條件（比如：重復(fù)迭代的次數(shù)、完成的工作量或者時鐘時間等）
5. Final Remark
   這個是第二個STW階段，也是CMS中的最后一個，這個階段的目標(biāo)是標(biāo)記老年代所有的存活對象，由于之前的階段是并發(fā)執(zhí)行的，gc線程可能跟不上應(yīng)用程序的變化，為了完成標(biāo)記老年代所有存活對象的目標(biāo)，STW就非常有必要了。
   通常CMS的Final Remark階段會在年輕代盡可能干凈的時候運行，目的是為了減少連續(xù)STW發(fā)生的可能行（年輕代存活對象過多的話，也會導(dǎo)致老年代涉及的存活對象會很多）。這個階段會比前面的幾個階段更復(fù)雜一些。
   經(jīng)過以上五個階段之后，老年代所有存活的對象都被標(biāo)記過了，現(xiàn)在可以通過清除算法去清理那些老年代不再使用的對象。

6. Concurrent Sweep
   這里不需要STW，它是與用戶的應(yīng)用程序并發(fā)運行，清除那些不再使用的對象回收它們的占用空間為將來使用。

   
   
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7. Concurrent Reset
   這個階段也是并發(fā)執(zhí)行的，它會重置CMS內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為下次的GC做準(zhǔn)備。

總結(jié)

CMS通過將大量工作分散到并發(fā)處理階段來減少STW時間，在這塊做得非常優(yōu)秀，但是CMS也有一些其他的問題。
CMS收集器無法處理浮動垃圾（Floating Garbage），可能出現(xiàn)“Concurrent Mode Failure”失敗而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生，可能引發(fā)串行Full GC。
空間碎片，導(dǎo)致無法分配大對象，CMS收集器提供了一個-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection開關(guān)參數(shù)（默認(rèn)開啟），用于在CMS收集器頂不住要進(jìn)行Full GC時開啟內(nèi)存碎片的合并整理過程，內(nèi)存整理的過程是無法并發(fā)的，空間碎片問題沒有了，但停頓時間不得不變長。
對于堆較大的引用，GC的時間難以預(yù)估。

G1收集器

• G1收集器是一個面向服務(wù)端的垃圾收集器，適用于多核處理器、大內(nèi)存容量的服務(wù)端系統(tǒng)。
• 它滿足短時間gc停頓的同時達(dá)到一個較高的吞吐量。
• JDK7以上版本適用

設(shè)計目標(biāo)

1. 與應(yīng)用線程同時工作，幾乎吧需要stop the world（與CMS類似）
2. 整理剩余空間，不產(chǎn)生內(nèi)存碎片（CMS只能在Full GC時，用stop the world整理內(nèi)存碎片）
3. GC停頓更加可控
4. 不犧牲系統(tǒng)的吞吐量
5. gc不要求額外的內(nèi)存空間（CMS需要預(yù)留空間存儲浮動垃圾）

G1設(shè)計規(guī)劃 要替換掉CMS

G1在某些方面彌補了CMS的不足， 比如CMS算法使用的是mark-sweep算法，自然會產(chǎn)生內(nèi)存碎片；然而G1基于copying算法，高效的整理剩余內(nèi)存，而不需要管理內(nèi)存碎片。
另外，G1提供了更多手段，以達(dá)到對gct停頓時間的可控。

G1收集器堆的結(jié)構(gòu)

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• head被劃分為一個個相等的不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域（region），每個region都有一個分代角色：eden、survivor、old
• 對每個角色的數(shù)量并沒有強制限定，也就是說對每種分代的內(nèi)存大小，可以動態(tài)變化。
• G1最大的特點就是高效地執(zhí)行回收，優(yōu)先去執(zhí)行那些大量對象的可回收區(qū)域。
• G1使用了gc停頓可預(yù)測模型，來滿足用戶設(shè)定gc停頓時間，根據(jù)用戶設(shè)定的目標(biāo)時間，G1會自動的選擇哪些region要清除，一次清除多少個region
• G1從多個region中復(fù)制存活對象,然后集中放到一個region中，同時整理、清理內(nèi)存（copying收集算法）

G1的重要概念

• 分區(qū)
  G1采用了不同的策略來解決并行、串行和CMS收集器的碎片、暫停時間不可控等問題--G1將整個堆分成相同大小的分區(qū)。每個分區(qū)即可能是年輕代也可能是老年代，但在某一時刻只能屬于某個代，分代概念還在，成為邏輯上的概念，這樣方便復(fù)用之前分代框架的邏輯。-
  在物理上不需要連續(xù)，則帶來了額外的好處--有的分區(qū)垃圾對象很少，有的分區(qū)垃圾對象特別多,G1會優(yōu)先回收垃圾特別多的分區(qū)，這樣可以花費較少的時間來回收這些分區(qū)的垃圾，也就是G1名字的由來，即首先收集垃圾最多的分區(qū)。
  依然是在新生代滿的時候，對整個新生代進(jìn)行回收--整個新生代的對象要么被回收、要么被晉升，至于新生代也采取分區(qū)機制的原因，則是因為這樣更老年代的策略統(tǒng)一，方便調(diào)整代的大小。
• 收集集合（CSet）
  一組可被回收的分區(qū)的集合。在CSet中存活的數(shù)據(jù)會在GC過程中被移動到另一個可用分區(qū)，CSet中的分區(qū)可以來自eden分區(qū)、survivor分區(qū)或者老年代。

• 已記憶集合（RSet）
  RSet記錄了其他Region對象引用本Region中對象的關(guān)系，屬于points-into結(jié)構(gòu)（誰引用了我了的對象）。RSet的價值在于使得垃圾收集器不需要掃描整個堆找到誰引用了當(dāng)前分區(qū)的對象，只掃描RSet即可。

  
  

G1 GC是在points-out的card table之上再加了一層結(jié)構(gòu)來構(gòu)成points-into RSet：每個regionh會記錄下到底哪些別的region有指向自己的指針，而這些指針分別在哪些card的范圍內(nèi)。
這個RSet其實是一個hash table，key是別的region的起始位置，value是一個集合，里邊的元素是card table的index。舉個例子來說，如果region A的RSet里有一項的key是region B，value里有index為1234的card，他的意思就是region B的一個Card里有引用指向region A。所以對A來說該RSet記錄的是points-into的關(guān)系，而card table仍然記錄points-out的關(guān)系。

• Snapshot-At-The-Beginning（SATB）
  SATB是G1 GC在并發(fā)標(biāo)記階段使用的增量式的標(biāo)記算法。
  并發(fā)標(biāo)記是多線程的，但并發(fā)線程在同一時刻只掃描一個分區(qū)。

G1相對于CMS的優(yōu)勢

1. G1在壓縮空間方面有優(yōu)勢
2. G通過將內(nèi)存空間分成區(qū)域（Region）的方式避免內(nèi)存碎片問題
3. Eden、Survivor、Old區(qū)不再固定，在內(nèi)存使用效率上來說更靈活
4. G1可以通過設(shè)置預(yù)期停頓時間（Pause TIme）來控制垃圾收集時間，避免應(yīng)用雪崩現(xiàn)象
5. G1在回收內(nèi)存后會馬上同時做合并空閑內(nèi)存的工作，而CMS默認(rèn)是在STW的時候做
6. G1會在Young GC中使用，而CMS只能在Old區(qū)使用

G1的適合場景

1. 服務(wù)端多核CPU、JVM內(nèi)存占用較大的引用
2. 應(yīng)用在運行過程中會產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片、需要經(jīng)常壓縮空間
3. 向要更可控、可預(yù)期的GC停頓周期；防止高并發(fā)下應(yīng)用的雪崩現(xiàn)象

G1 GC模式

G1提供了兩種GC模式，Young GC和Mixed GC，兩種都是完全STW的。

1. Young GC：選定所有年輕代里的Region。通過控制年輕代的Region個數(shù)，即年輕代內(nèi)存大小來控制Young GC的時間開銷。
2. Mixed GC：選定所有年輕代里的Region，外加根據(jù)global concurrent marking統(tǒng)計得出收集收益高的若干老年代Region。在用戶指定的開銷目標(biāo)范圍內(nèi)盡可能選擇收益高的老年代Region
   Mixed GC不是Full GC，它只能回收部分老年代的region， 如果Mixed GC實在無法跟上程序分配內(nèi)存的速度，導(dǎo)致老年代填滿無法繼續(xù)進(jìn)行Mixed GC， 就會使用serial old GC（Full GC）來收集整個GC heap。所以本質(zhì)上，G1是不提供Full GC的。

Global Concurrent Marking

Global Concurrent Marking的執(zhí)行過程類似于CMS，但是不同的是，在G1 GC中，它主要是為Mixed GC提供標(biāo)記服務(wù)的，并不是一次GC過程的一個必須環(huán)節(jié)。
Global Concurrent Marking的執(zhí)行過程分為四個步驟：

1. 初始標(biāo)記（initial mark，STW）：它標(biāo)記了從GC Root開始直接可達(dá)的對象。
   共用了Young GC的的暫停，這是因為它們可以服用root scan操作，所有可以說global concurrent marking是伴隨Young GC而發(fā)生的。
2. 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking）：這個階段從GC Root開始對heap中的對象進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記線程與應(yīng)用程序線程并發(fā)執(zhí)行，并且收集各個Region的存活對象信息。
3. 重新標(biāo)記（Remark， STW）：標(biāo)記那些在并發(fā)標(biāo)記階段發(fā)生變化的對象，將被回收。
4. 清理（Cleanup）：清除空Region（沒有存活對象的），加入到free list。

G1在運行過程中的主要模式

• YGC（不同于CMS）
  G1 YGC在Eden充滿時觸發(fā)，在回收之后所有之前屬于Eden的區(qū)塊全部變成空白，即不屬于任何一個分區(qū)。

• 并發(fā)階段

• 混合模式
  什么時候會發(fā)生Mixed GC
  由一些參數(shù)控制，另外也控制著哪些老年代Region會被選人CSet（收集集合）。
  G1HeapWastePercent：在global concurrent marking結(jié)束之后，我們可以知道old gen regions中有多少空間要被回收，在每次YGC之后和再次發(fā)生Mixed GC之前，會檢查垃圾占比是否達(dá)到此參數(shù)，只有達(dá)到了，下次才會發(fā)生Mixed GC。
  G1MixedGCLiveThresholdPercent：old generation region中的存活對象的占比，只有在此參數(shù)之下，才會被選入CSet
  G1MixedGCCountTarget：一次global concurrent marking之后，最多執(zhí)行Mixed GC的次數(shù)
  G1OldCSetRegionThresholdPercent：一次Mixed GC中能選入CSet的最多old region數(shù)量。

  
  

• Full GC（一般是G1出現(xiàn)問題時發(fā)生）。

Humongous區(qū)域

在G1中，還有一種特殊的區(qū)域，叫Humongous區(qū)域。如果一個對象占用的空間達(dá)到或是超過了分區(qū)容量50%以上，G1收集器就認(rèn)為這是一個巨型對象。這些巨型對象，默認(rèn)直接會被分配在老年代，但是如果它是一個短期存在的巨型對象，就會對垃圾收集器造成負(fù)面影響。為了解決這個問題，G1劃分了一個Humougous區(qū)，它用來專門存放巨型對象。如果一個H區(qū)裝不下一個巨型對象，那么G1會尋找連續(xù)的H分區(qū)來存儲。為了能找到連續(xù)的H區(qū)，有時候不得不啟動Full GC。

G1 Young GC

Young GC主要是對Eden區(qū)進(jìn)行GC，它在Eden空間耗盡時會被觸發(fā)。在這種情況下，Eden空間的數(shù)據(jù)移動到Survivor空間中，如果Survivor空間不夠，Eden空間的部分?jǐn)?shù)據(jù)會直接晉升到老年代空間。Survivor區(qū)的數(shù)據(jù)移動到新的Survivor區(qū)中，也有部分?jǐn)?shù)據(jù)晉升到老年代空間中。最終Eden空間的數(shù)據(jù)為空，GC完成工作，引用線程繼續(xù)執(zhí)行。
如果僅僅GC新生代對象，我們?nèi)绾握业剿械母鶎ο竽?？老年代的所有對象都是根嗎？那么這樣掃描下來會耗費大量的時間。于是，G1引進(jìn)了RSet的概念。它的全稱是Remembered Set，作用是跟蹤指向某個heap區(qū)內(nèi)的對象引用。

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由于新生代有多個，那么我們需要在新生代之間記錄引用嗎，這是不必要的，原因在于每次GC時，所有新生代都會被掃描，所以只需要記錄老年代到新生代之間的引用即可。

1. 根掃描
   靜態(tài)和本地對象被掃描
2. 更新RS
   處理dirty card隊列更新RS
3. 處理RS
   檢測從年輕代指向老年代的對象
4. 對象拷貝
   拷貝存活的對象到Survivor/old區(qū)域
5. 處理引用隊列
   軟引用，弱引用，虛引用處理

三色標(biāo)記算法

提到并發(fā)標(biāo)記，我們不得不了解并發(fā)標(biāo)記的三色標(biāo)記算法。它是描述追蹤式回收器的一種有效的方法，利用它可以推演回收器的正確性。

• 黑色：根對象，或者該對象與它的子對象都被掃描過的
• 灰色：對象本身被掃描，但還沒掃描完該對象的子對象
• 白色：未被掃描對象，掃描完成所有對象之后，最終為白色的為不可達(dá)對象，即垃圾對象。

當(dāng) GC 開始掃描對象時，按照如下圖步驟進(jìn)行對象的掃描：
根對象被置為黑色，子對象被置為灰色：

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繼續(xù)由灰色遍歷,將已掃描了子對象的對象置為黑色：

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我們看下面一種情況，當(dāng)垃圾收集器掃描到下面情況時：

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這時候應(yīng)用程序執(zhí)行了以下操作：

A.c = C
B.c = null

這樣，對象的狀態(tài)圖變成如下情形：

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這時候垃圾收集器再標(biāo)記掃描的時候就會成下圖這樣：

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很顯然，此時 C 是白色的，被認(rèn)為是垃圾需要清理掉，顯然這是不合理的。那么我們?nèi)绾伪ＷC應(yīng)用程序在運行的時候，GC 標(biāo)記的對象不丟失呢？有如下兩種可行的方式：

• 在插入的時候記錄對象
• 在刪除的時候記錄對象

在 G1 中，使用的是 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）的方式，刪除的時候記錄所有的對象，它有3個步驟：

• Step-1：在初始標(biāo)記的時候，生成一個快照圖，用于標(biāo)記存活對象。
• Step-2：在并發(fā)標(biāo)記的時候，所有被改變的對象入隊（在 Write Barrier 里把所有舊的引用所指向的對象都變成非白的）。
• Step-3：可能存在游離的垃圾，將在下次被收集。

這樣，G1 到現(xiàn)在可以知道哪些老的分區(qū)可回收的垃圾最多。當(dāng)全局并發(fā)標(biāo)記完成后，在某個時刻，就開始了 Mix GC。這些垃圾回收被稱作“混合式”是因為他們不僅僅進(jìn)行正常的新生代垃圾收集，同時也回收部分后臺掃描線程標(biāo)記的分區(qū)?；旌鲜嚼占缦聢D：

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混合式 GC 也是采用的復(fù)制的清理策略，當(dāng) GC 完成后，會重新釋放空間。

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