如何理解JVM全部垃圾回收器，針對這個問題，這篇文章詳細(xì)介紹了相對應(yīng)的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個問題的小伙伴找到更簡單易行的方法。

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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固定的組合使用（具體組合關(guān)系如上圖）。G1是一個獨(dú)立的收集器不依賴其他6種收集器。ZGC是目前JDK 11的實驗收集器。

下面來看看各個收集器的特性

Serial收集器

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

因為新生代的特點是對象存活率低，所以收集算法用的是復(fù)制算法，把新生代存活對象復(fù)制到老年代，復(fù)制的內(nèi)容不多，性能較好。

單線程地好處就是減少上下文切換，減少系統(tǒng)資源的開銷。但這種方式的缺點也很明顯，在GC的過程中，會暫停程序的執(zhí)行。若GC不是頻繁發(fā)生，這或許是一個不錯的選擇，否則將會影響程序的執(zhí)行性能。 對于新生代來說，區(qū)域比較小，停頓時間短，所以比較使用。

ParNew收集器

ParNew同樣用于新生代，是Serial的多線程版本，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，但它的并行僅僅指的是收集多線程并行，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，然后多線程執(zhí)行垃圾回收。

因為是多線程執(zhí)行，所以在多CPU下，ParNew效果通常會比Serial好。但如果是單CPU則會因為線程的切換，性能反而更差。

Parallel Scavenge收集器

新生代的收集器，同樣用的是復(fù)制算法，也是并行多線程收集。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 總時間與垃圾回收時間的比例。這個比例越高，證明垃圾回收占整個程序運(yùn)行的比例越小。

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

• -XX:MaxGCPauseMillis，最大垃圾回收停頓時間。這個參數(shù)的原理是空間換時間，收集器會控制新生代的區(qū)域大小，從而盡可能保證回收少于這個最大停頓時間。簡單的說就是回收的區(qū)域越小，那么耗費(fèi)的時間也越小。
  所以這個參數(shù)并不是設(shè)置得越小越好。設(shè)太小的話，新生代空間會太小，從而更頻繁的觸發(fā)GC。

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

因為Parallel 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)的時候，同時不想設(shè)置各個區(qū)域大小（新生代，老年代等）。可以開啟**-XX:UseAdaptiveSizePolicy**參數(shù)，讓JVM監(jiān)控收集的性能，動態(tài)調(diào)整這些區(qū)域大小參數(shù)。

Serial Old收集器

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

因為老年代里面對象的存活率高，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，沒有辦法用復(fù)制算法。所以需要用Mark-Compact，以有效地避免這些問題。

Parallel Old收集器

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收集器

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間（低停頓），在老年代并不頻繁GC的場景下，是比較適用的。

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

來看看具體地工作原理。CMS整個過程比之前的收集器要復(fù)雜，整個過程分為四步：

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

• 并發(fā)標(biāo)記（concurrent mark），對于初始標(biāo)記過程所標(biāo)記的初始標(biāo)記對象，進(jìn)行并發(fā)追蹤標(biāo)記，此時其他線程仍可以繼續(xù)工作。此處時間較長，但不停頓。

• 重新標(biāo)記（remark），在并發(fā)標(biāo)記的過程中，由于可能還會產(chǎn)生新的垃圾，所以此時需要重新標(biāo)記新產(chǎn)生的垃圾。此處執(zhí)行并行標(biāo)記，與用戶線程不并發(fā)，所以依然是“Stop The World”，時間比初始時間要長一點。

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

由于最耗費(fèi)時間的并發(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，缺點也是比較明顯的，

• Mark Sweep算法會導(dǎo)致內(nèi)存碎片比較多

• CMS的并發(fā)能力依賴于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，用戶線程依然在運(yùn)行，所以依然會產(chǎn)生新的垃圾，此階段的垃圾并不會再本次GC中回收，而放到下次。所以GC不能等待內(nèi)存耗盡的時候才進(jìn)行GC，這樣的話會導(dǎo)致并發(fā)清除的時候，用戶線程可以了利用的空間不足。所以這里會浪費(fèi)一些內(nèi)存空間給用戶線程預(yù)留。

有人會覺得既然Mark Sweep會造成內(nèi)存碎片，那么為什么不把算法換成Mark Compact呢？

答案其實很簡答，因為當(dāng)并發(fā)清除的時候，用Compact整理內(nèi)存的話，原來的用戶線程使用的內(nèi)存還怎么用呢？要保證用戶線程能繼續(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”這種場景下使用。

G1收集器

G1，Garbage First，在JDK 1.7版本正式啟用，是當(dāng)時最前沿的垃圾收集器。G1可以說是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會預(yù)測垃圾回收的停頓時間，原理是計算老年代對象的效益率，優(yōu)先回收最大效益的對象。

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)存分為多個大小相同的區(qū)域Region，每個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)存碎片化問題。

但是這樣同樣會引申一個新的問題，就是分代的內(nèi)存不連續(xù)，導(dǎo)致在GC搜索垃圾對象的時候需要全盤掃描找出引用內(nèi)存所在。

為了解決這個問題，G1對于每個Region都維護(hù)一個Remembered Set，用于記錄對象引用的情況。當(dāng)GC發(fā)生的時候根據(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，通過控制收集年輕代的Region個數(shù)，從而控制GC的回收時間。

• Mixed GC，關(guān)注于所有年輕代的Region，并且加上通過預(yù)測計算最大收益的若干個老年代Region。

整體的執(zhí)行流程：

• 初始標(biāo)記（initial mark），標(biāo)記了從GC Root開始直接關(guān)聯(lián)可達(dá)的對象。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)記的對象，此時用戶線程依然可以執(zhí)行。

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

• 篩選回收（Live Data Counting And Evacuation），評估標(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。因為是Compact，會影響用戶線程執(zhí)行，所以回收階段需要STW執(zhí)行。

令人驚嘆的ZGC

在JDK 11當(dāng)中，加入了實驗性質(zhì)的ZGC。它的回收耗時平均不到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。所以停頓時間幾乎就耗費(fèi)在初始標(biāo)記上，這部分的實際是非常少的。那么其他階段是怎么做到可以并發(fā)執(zhí)行的呢？

ZGC主要新增了兩項技術(shù)，一個是著色指針Colored Pointer，另一個是讀屏障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），以標(biāo)記該指向內(nèi)存的存儲狀態(tài)。相當(dāng)于在對象的指針上標(biāo)注了對象的信息。注意，這里的指針相當(dāng)于Java術(shù)語當(dāng)中的引用。

在這個被指向的內(nèi)存發(fā)生變化的時候（內(nèi)存在Compact被移動時），顏色就會發(fā)生變化。

在G1的時候就說到過，Compact階段是需要STW，否則會影響用戶線程執(zhí)行。那么怎么解決這個問題呢？

讀屏障Load Barrier由于著色指針的存在，在程序運(yùn)行時訪問對象的時候，可以輕易知道對象在內(nèi)存的存儲狀態(tài)（通過指針訪問對象），若請求讀的內(nèi)存在被著色了。那么則會觸發(fā)讀屏障。讀屏障會更新指針再返回結(jié)果，此過程有一定的耗費(fèi)，從而達(dá)到與用戶線程并發(fā)的效果。

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

與標(biāo)記對象的傳統(tǒng)算法相比，ZGC在指針上做標(biāo)記，在訪問指針時加入Load Barrier（讀屏障），比如當(dāng)對象正被GC移動，指針上的顏色就會不對，這個屏障就會先把指針更新為有效地址再返回，也就是，永遠(yuǎn)只有單個對象讀取時有概率被減速，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還在實驗階段，但由于算法與思想是一個非常大的提升，相信在未來不久會成為主流的GC收集器使用。

關(guān)于如何理解JVM全部垃圾回收器問題的解答就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，如果你還有很多疑惑沒有解開，可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道了解更多相關(guān)知識。

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