摘要：是目前的實(shí)驗(yàn)收集器。也是需要暫停程序一切的工作，然后多線(xiàn)程執(zhí)行垃圾回收。與最大的不同，它關(guān)注的是垃圾回收的吞吐量。這里的吞吐量指的是總時(shí)間與垃圾回收時(shí)間的比例。篩選回收，評(píng)估標(biāo)記垃圾，根據(jù)模式回收垃圾。

《對(duì)象搜索算法與回收算法》介紹了垃圾回收的基礎(chǔ)算法，相當(dāng)于垃圾回收的方法論。接下來(lái)就詳細(xì)看看垃圾回收的具體實(shí)現(xiàn)。

上文提到過(guò)現(xiàn)代的商用虛擬機(jī)的都是采用分代收集的，不同的區(qū)域用不同的收集器。常用的7種收集器，其適用的范圍如圖所示

Serial、ParNew、Parallel Scavenge用于新生代；
CMS、Serial Old、Paralled Old用于老年代。
并且他們相互之間以相對(duì)固定的組合使用（具體組合關(guān)系如上圖）。G1是一個(gè)獨(dú)立的收集器不依賴(lài)其他6種收集器。ZGC是目前JDK 11的實(shí)驗(yàn)收集器。

下面來(lái)看看各個(gè)收集器的特性

Serial，是單線(xiàn)程執(zhí)行垃圾回收的。當(dāng)需要執(zhí)行垃圾回收時(shí)，程序會(huì)暫停一切手上的工作，然后單線(xiàn)程執(zhí)行垃圾回收。

因?yàn)樾律奶攸c(diǎn)是對(duì)象存活率低，所以收集算法用的是復(fù)制算法，把新生代存活對(duì)象復(fù)制到老年代，復(fù)制的內(nèi)容不多，性能較好。

單線(xiàn)程地好處就是減少上下文切換，減少系統(tǒng)資源的開(kāi)銷(xiāo)。但這種方式的缺點(diǎn)也很明顯，在GC的過(guò)程中，會(huì)暫停程序的執(zhí)行。若GC不是頻繁發(fā)生，這或許是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，否則將會(huì)影響程序的執(zhí)行性能。
對(duì)于新生代來(lái)說(shuō)，區(qū)域比較小，停頓時(shí)間短，所以比較使用。

ParNew同樣用于新生代，是Serial的多線(xiàn)程版本，并且在參數(shù)、算法（同樣是復(fù)制算法）上也完全和Serial相同。

Par是Parallel的縮寫(xiě)，但它的并行僅僅指的是收集多線(xiàn)程并行，并不是收集和原程序可以并行進(jìn)行。ParNew也是需要暫停程序一切的工作，然后多線(xiàn)程執(zhí)行垃圾回收。

因?yàn)槭嵌嗑€(xiàn)程執(zhí)行，所以在多CPU下，ParNew效果通常會(huì)比Serial好。但如果是單CPU則會(huì)因?yàn)榫€(xiàn)程的切換，性能反而更差。

新生代的收集器，同樣用的是復(fù)制算法，也是并行多線(xiàn)程收集。與ParNew最大的不同，它關(guān)注的是垃圾回收的吞吐量。

這里的吞吐量指的是 總時(shí)間與垃圾回收時(shí)間的比例。這個(gè)比例越高，證明垃圾回收占整個(gè)程序運(yùn)行的比例越小。

Parallel Scavenge收集器提供兩個(gè)參數(shù)控制垃圾回收的執(zhí)行：

-XX:MaxGCPauseMillis，最大垃圾回收停頓時(shí)間。這個(gè)參數(shù)的原理是空間換時(shí)間，收集器會(huì)控制新生代的區(qū)域大小，從而盡可能保證回收少于這個(gè)最大停頓時(shí)間。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是回收的區(qū)域越小，那么耗費(fèi)的時(shí)間也越小。

所以這個(gè)參數(shù)并不是設(shè)置得越小越好。設(shè)太小的話(huà)，新生代空間會(huì)太小，從而更頻繁的觸發(fā)GC。

-XX:GCTimeRatio，垃圾回收時(shí)間與總時(shí)間占比。這個(gè)是吞吐量的倒數(shù)，原理和MaxGCPauseMillis相同。

因?yàn)镻arallel Scavenge收集器關(guān)注的是吞吐量，所以當(dāng)設(shè)置好以上參數(shù)的時(shí)候，同時(shí)不想設(shè)置各個(gè)區(qū)域大?。ㄐ律夏甏龋??？梢蚤_(kāi)啟-XX:UseAdaptiveSizePolicy參數(shù)，讓JVM監(jiān)控收集的性能，動(dòng)態(tài)調(diào)整這些區(qū)域大小參數(shù)。

老年代的收集器，與Serial一樣是單線(xiàn)程，不同的是算法用的是標(biāo)記-整理（Mark-Compact）。

因?yàn)槔夏甏锩鎸?duì)象的存活率高，如果依舊是用復(fù)制算法，需要復(fù)制的內(nèi)容較多，性能較差。并且在極端情況下，當(dāng)存活為100%時(shí)，沒(méi)有辦法用復(fù)制算法。所以需要用Mark-Compact，以有效地避免這些問(wèn)題。

老年代的收集器，是Parallel Scavenge老年代的版本。其中的算法替換成Mark-Compact。

CMS，Concurrent Mark Sweep，同樣是老年代的收集器。它關(guān)注的是垃圾回收最短的停頓時(shí)間（低停頓），在老年代并不頻繁GC的場(chǎng)景下，是比較適用的。

命名中用的是concurrent，而不是parallel，說(shuō)明這個(gè)收集器是有與工作執(zhí)行并發(fā)的能力的。MS則說(shuō)明算法用的是Mark Sweep算法。

來(lái)看看具體地工作原理。CMS整個(gè)過(guò)程比之前的收集器要復(fù)雜，整個(gè)過(guò)程分為四步：

初始標(biāo)記（initial mark），單線(xiàn)程執(zhí)行，需要“Stop The World”，但僅僅把GC Roots的直接關(guān)聯(lián)可達(dá)的對(duì)象給標(biāo)記一下，由于直接關(guān)聯(lián)對(duì)象比較小，所以這里的速度非?？?。

并發(fā)標(biāo)記（concurrent mark），對(duì)于初始標(biāo)記過(guò)程所標(biāo)記的初始標(biāo)記對(duì)象，進(jìn)行并發(fā)追蹤標(biāo)記，此時(shí)其他線(xiàn)程仍可以繼續(xù)工作。此處時(shí)間較長(zhǎng)，但不停頓。

重新標(biāo)記（remark），在并發(fā)標(biāo)記的過(guò)程中，由于可能還會(huì)產(chǎn)生新的垃圾，所以此時(shí)需要重新標(biāo)記新產(chǎn)生的垃圾。此處執(zhí)行并行標(biāo)記，與用戶(hù)線(xiàn)程不并發(fā)，所以依然是“Stop The World”，時(shí)間比初始時(shí)間要長(zhǎng)一點(diǎn)。

并發(fā)清除（concurrent sweep），并發(fā)清除之前所標(biāo)記的垃圾。其他用戶(hù)線(xiàn)程仍可以工作，不需要停頓。

由于最耗費(fèi)時(shí)間的并發(fā)標(biāo)記與并發(fā)清除階段都不需要暫停工作，所以整體的回收是低停頓的。

由于CMS以上特性，缺點(diǎn)也是比較明顯的，

Mark Sweep算法會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片比較多

CMS的并發(fā)能力依賴(lài)于CPU資源，所以在CPU數(shù)少和CPU資源緊張的情況下，性能較差

并發(fā)清除階段，用戶(hù)線(xiàn)程依然在運(yùn)行，所以依然會(huì)產(chǎn)生新的垃圾，此階段的垃圾并不會(huì)再本次GC中回收，而放到下次。所以GC不能等待內(nèi)存耗盡的時(shí)候才進(jìn)行GC，這樣的話(huà)會(huì)導(dǎo)致并發(fā)清除的時(shí)候，用戶(hù)線(xiàn)程可以了利用的空間不足。所以這里會(huì)浪費(fèi)一些內(nèi)存空間給用戶(hù)線(xiàn)程預(yù)留。

有人會(huì)覺(jué)得既然Mark Sweep會(huì)造成內(nèi)存碎片，那么為什么不把算法換成Mark Compact呢？

答案其實(shí)很簡(jiǎn)答，因?yàn)楫?dāng)并發(fā)清除的時(shí)候，用Compact整理內(nèi)存的話(huà)，原來(lái)的用戶(hù)線(xiàn)程使用的內(nèi)存還怎么用呢？要保證用戶(hù)線(xiàn)程能繼續(xù)執(zhí)行，前提的它運(yùn)行的資源不受影響嘛。Mark Compact更適合“Stop the World”這種場(chǎng)景下使用。

G1，Garbage First，在JDK 1.7版本正式啟用，是當(dāng)時(shí)最前沿的垃圾收集器。G1可以說(shuō)是CMS的終極改進(jìn)版，解決了CMS內(nèi)存碎片、更多的內(nèi)存空間登問(wèn)題。雖然流程與CMS比較相似，但底層的原理已是完全不同。

高效益優(yōu)先。G1會(huì)預(yù)測(cè)垃圾回收的停頓時(shí)間，原理是計(jì)算老年代對(duì)象的效益率，優(yōu)先回收最大效益的對(duì)象。

堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)的不同。以前的收集器分代是劃分新生代、老年代、持久代等。

G1則是把內(nèi)存分為多個(gè)大小相同的區(qū)域Region，每個(gè)Region擁有各自的分代屬性，但這些分代不需要連續(xù)。

這樣的分區(qū)可以有效避免內(nèi)存碎片化問(wèn)題。

但是這樣同樣會(huì)引申一個(gè)新的問(wèn)題，就是分代的內(nèi)存不連續(xù)，導(dǎo)致在GC搜索垃圾對(duì)象的時(shí)候需要全盤(pán)掃描找出引用內(nèi)存所在。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，G1對(duì)于每個(gè)Region都維護(hù)一個(gè)Remembered Set，用于記錄對(duì)象引用的情況。當(dāng)GC發(fā)生的時(shí)候根據(jù)Remembered Set的引用情況去搜索。

兩種GC模式：

Young GC，關(guān)注于所有年輕代的Region，通過(guò)控制收集年輕代的Region個(gè)數(shù)，從而控制GC的回收時(shí)間。

Mixed GC，關(guān)注于所有年輕代的Region，并且加上通過(guò)預(yù)測(cè)計(jì)算最大收益的若干個(gè)老年代Region。

整體的執(zhí)行流程：

初始標(biāo)記（initial mark），標(biāo)記了從GC Root開(kāi)始直接關(guān)聯(lián)可達(dá)的對(duì)象。STW（Stop the World）執(zhí)行。

并發(fā)標(biāo)記（concurrent marking），并發(fā)標(biāo)記初始標(biāo)記的對(duì)象，此時(shí)用戶(hù)線(xiàn)程依然可以執(zhí)行。

最終標(biāo)記（Remark），STW，標(biāo)記再并發(fā)標(biāo)記過(guò)程中產(chǎn)生的垃圾。

篩選回收（Live Data Counting And Evacuation），評(píng)估標(biāo)記垃圾，根據(jù)GC模式回收垃圾。STW執(zhí)行。

在Region層面上，整體的算法偏向于Mark-Compact。因?yàn)槭荂ompact，會(huì)影響用戶(hù)線(xiàn)程執(zhí)行，所以回收階段需要STW執(zhí)行。

在JDK 11當(dāng)中，加入了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的ZGC。它的回收耗時(shí)平均不到2毫秒。它是一款低停頓高并發(fā)的收集器。

ZGC幾乎在所有地方并發(fā)執(zhí)行的，除了初始標(biāo)記的是STW的。所以停頓時(shí)間幾乎就耗費(fèi)在初始標(biāo)記上，這部分的實(shí)際是非常少的。那么其他階段是怎么做到可以并發(fā)執(zhí)行的呢？

ZGC主要新增了兩項(xiàng)技術(shù)，一個(gè)是著色指針Colored Pointer，另一個(gè)是讀屏障Load Barrier。

著色指針Colored Pointer
ZGC利用指針的64位中的幾位表示Finalizable、Remapped、Marked1、Marked0（ZGC僅支持64位平臺(tái)），以標(biāo)記該指向內(nèi)存的存儲(chǔ)狀態(tài)。相當(dāng)于在對(duì)象的指針上標(biāo)注了對(duì)象的信息。注意，這里的指針相當(dāng)于Java術(shù)語(yǔ)當(dāng)中的引用。

在這個(gè)被指向的內(nèi)存發(fā)生變化的時(shí)候（內(nèi)存在Compact被移動(dòng)時(shí)），顏色就會(huì)發(fā)生變化。

在G1的時(shí)候就說(shuō)到過(guò)，Compact階段是需要STW，否則會(huì)影響用戶(hù)線(xiàn)程執(zhí)行。那么怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？

讀屏障Load Barrier
由于著色指針的存在，在程序運(yùn)行時(shí)訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象的時(shí)候，可以輕易知道對(duì)象在內(nèi)存的存儲(chǔ)狀態(tài)（通過(guò)指針訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象），若請(qǐng)求讀的內(nèi)存在被著色了。那么則會(huì)觸發(fā)讀屏障。讀屏障會(huì)更新指針再返回結(jié)果，此過(guò)程有一定的耗費(fèi)，從而達(dá)到與用戶(hù)線(xiàn)程并發(fā)的效果。

把這兩項(xiàng)技術(shù)聯(lián)合下理解，引用R大（RednaxelaFX）的話(huà)

與標(biāo)記對(duì)象的傳統(tǒng)算法相比，ZGC在指針上做標(biāo)記，在訪(fǎng)問(wèn)指針時(shí)加入Load Barrier（讀屏障），比如當(dāng)對(duì)象正被GC移動(dòng)，指針上的顏色就會(huì)不對(duì)，這個(gè)屏障就會(huì)先把指針更新為有效地址再返回，也就是，永遠(yuǎn)只有單個(gè)對(duì)象讀取時(shí)有概率被減速，而不存在為了保持應(yīng)用與GC一致而粗暴整體的Stop The World。

ZGC雖然目前還在JDK 11還在實(shí)驗(yàn)階段，但由于算法與思想是一個(gè)非常大的提升，相信在未來(lái)不久會(huì)成為主流的GC收集器使用。

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