Java垃圾收集器(GC)简介与最佳组合探究

Java经过近20年的演变，已经发展出一套复杂、健壮和高性能的垃圾收集器。在不同的应用场合下使用不同的GC组合能让程序性能得到可观提高。我想这也是Java这么多年来一直处于不败之地的原因之一。

以下讨论只限于Server模式下的HotSpot JVM。

GC的类型

Sun/Oracle的HotSpot JVM为我们提供了多种不同的GC，一种GC只专门负责新生代或老年代的内存回收工作，所以实际使用的时候需要我们为新生代和老年代指定不同的GC。但G1例外，因为G1可以通吃整个堆内存。

Serial GC

Serial GC是最基本也是年纪最大的GC，它由Sun随第一版本的Java一同发布。 Serial是一个单线程的、 用于新生代的 GC，因此它在工作的只有一个线程来完成GC，同时还必须让JVM 暂停执行所有用户线程，即有名的Stop The World。 这就意味着程序会有较长时间的停顿。所以对于服务端应用来说，Serial GC基本无用武之地，JVM默认也不会在新生代选用此GC。

ParNew GC

ParNew GC基本上是Serial GC的多线程版本，即在新生代的GC过程中会有多个线程线程同时执行清理，其它与Serial无异。因为是多线程，所以在多CPU环境下，它的性能会比Serial强一些。但如果是单CPU环境，它会带来线程上下文切换的时间开销，性能反而会不如Serial。ParNew是Server模式下的JVM的默认新生代收集器

Parallel Scavenge GC

该收集器也是一个作用于新生代的并行的多线程收集器，它与ParNew最大的区别在于它更加关注吞吐量(吞吐量 = 运行用户代码的时间 / (运行用户代码时间 + GC执行的时间) )。为了达到此目的，该GC提供了-XX:MaxGCPauseMillis参数和-XX:GCTimeRatio来控制吞吐量。前者是一个大于0的毫秒值，GC会尽可能保证垃圾收集耗时不超过该值。后者是一个大于0小于100的整数，意为垃圾收集耗时占总运行时间的比例。一般情况下，如果你的程序不是特别需要对GC吞吐量进行优化的话也不会手动指定使用该GC。

Serial Old GC 和 Parallel Old GC

在名称后面加上old意为该GC是为老年代服务的。前者在老年代回收时与前面提到的Serial相同，即单线程，会造成较长的停顿。后者相当于多线程版本，工作时也会先暂所有用户线程，然后仅仅是会启动多个线程执行GC而已。

CMS GC

CMS(Concurrent Mark Sweep)是一种以尽可能减少回收停顿时间为目标的收集器，只能作用于老年代。前面的的GC在执行回收算法时，必须先将挂起所有用户线程，待GC完成后用户线程才得以继续执行。CMS与之最大的区别是，CMS的回收过程可以部分并发地与用户线程同时执行。 CMS的回收分为以下几个阶段：

1. 初始标记
2. 并发标记
3. 重新标记
4. 并发清除

其中，最耗时的步骤2和4是并发执行的，即用户线程不需要停顿，回收可以与用户线程同时执行，这样就能大大缩短Stop The World的时间。但这并不意味着CMS就是个非常完美的GC了，它还有以下几个主要缺点：

• CMS会与用户线程抢夺CPU资源。因为CMS的主要过程会与用户线程并发执行，因此用户线程此时执行速度会有一定的下降。如果是在单CPU情况下，这种情况会更加严重。
• CMS可能会出现Concurrent Mode Failure错误。因为CMS在执行并发标记时，用户线程也在执行，因此在标记的同时还会有新垃圾在不断产生，这部分垃圾称为浮动垃圾，这是CMS无法进行回收处理的，只能等待下一次GC再说。也正是由于GC时用户线程还会执行，CMS必须在开始GC之前为用户线程预留一部分内存空间以供使用，而这是有风险的。这部分空间不够用户线程使用, 就会导致Concurrent Mode Failure, JVM会被迫启用Serial Old触发一次Full GC, 而执行一次Full GC的耗时是比较长的。

PS:
- Minor GC: 指的是对新生代进行垃圾回收的过程，这个过程一般会非常迅速。
- Full GC: 指对老年代执行的GC过程，在执行Full GC之前也可能会先执行一次Minor GC。Full GC通常会比Minor GC慢很多。

G1收集器

G1是目前垃圾收集技术发展的最新成果之一，它与前面的几款GC最大的不同在于：

• G1可管理整个堆区，包括新生代和老年代。
• G1在物理上不区分新生代和老年代。G1会把整个堆划分为很多区域(Region)，新生代和老年代现在变更了仅仅是逻辑上的概念，它们并不需要在物理上严格区分。
• G1会对所有Region进行回收效率排序，优先清理回收效率最高的Region。

除此之外，G1与CMS也是并发执行的GC，即执行清理时可以与用户线程同时(并发)执行，但是G1可以做到比CMS更短暂的停顿时间。

GC的选择

• 对于服务端应用，我个人认为应当优先使用G1。除了G1的很多优秀特性以外，还有一个很重要的原因是Oracle打算在未来能用G1取代前面所有的GC，也就是说Oracle在今后肯定会把对GC优化的主要精力放在G1上。但是Oracle还是偏向于保守，因为直到今天的Java8，如果你不指定GC的话，JVM依然是使用ParNew + Serial Old的GC组合。不过我们可以通过

-XX:UseG1GC

参数命令JVM使用G1。

• 对于客户端应用，如果不加任何参数的话，JVM会选择Serial + Serial Old组合，很不给力。最好添加:

-XX:+UseConcMarkSweepGC

即命令JVM在老年代使用CMS，以提高GC性能。