一、语境中的并行与并发

并行

并行描述的时多条垃圾收集器线程之间的关系，说明同一时间有多条这样的线程在协同工作，通常默认此时用户线程是处于等待状态。

并发

并发描述的是垃圾收集器线程与用户线程之间的关系，说明同一时间垃圾收集器线程与用户线程都在运行。由于用户线程并未被冻结，所以程序仍然能响应服务请求，但由于垃圾收集器线程占用了一部分系统资源，此时应用程序的处理的吞吐量将受到一定影响。

二、串行收集器

• 单线程： Serial 收集器（年轻代） + Serial Old 收集器（老年代）
• 客户端模式的最好选择：适合个人电脑（适合CPU核数少的，多了也没用）、堆内存较小

三、吞吐量优先收集器

• 多线程并行：Parallel Scavenge 收集器（年轻代） + Parallel Old 收集器（老年代）。jdk8默认使用
• 吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间+运行垃圾收集时间【次数*单次时间，次数越多，时间越长】）
• 适合堆内存较大，多核 cpu
• 目标：尽可能让 单次GC的时间 最短。即单位时间内，STW的时间最短

四、响应时间优先收集器

• 多线程并发：ParNew 收集器（年轻代） + CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器（老年代）
• 适合堆内存较大，多核 cpu
• 目标：尽可能让 单次STW的时间 最短
• 问题：
  1. “标记清除算法”：导致空间碎片化，无法存储大对象，进而导致”并发失败“。临时启用 SerialOld 收集器进行标记整理
  2. “并发标记、并发清理”：产生 “浮动垃圾”，需要预留空间。
  3. “重新标记”：先做新生代回收再重新扫描，减轻压力

五、G1收集器

JDK9 开始成为服务端模式下的默认垃圾收集器，CMS被声明为不推荐使用

• 定义：Garbage First ，jdk9默认使用。

  • 2004 论文发布
  • 2009 JDK 6u14 体验
  • 2012 JDK 7u4 官方支持
  • 2017 JDK 9 默认

• 适用场景

  • 用于老年代
  • 同时注重吞吐量（Throughput）和低延迟（Low latency），默认的暂停目标是 200 ms
  • 超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的 Region
  • 整体上是 标记+整理 算法，两个区域之间是 复制 算法。意味着G1运行期间不会产生内存空间碎片

• 相关 JVM 参数

  • -XX:+UseG1GC ：使用G1收集器
  • -XX:G1HeapRegionSize=size：设置堆内存每个区域大小
  • -XX:MaxGCPauseMillis=time：设置回收时最长停止时间

1）回收阶段

2）Young Collection

• 将新对象分配到各个伊甸园区域

• 当堆中伊甸园区域被逐渐被占满后，触发 Young Collection 并 STW 和 进行初始标记。将伊甸园区域幸存的对象使用复制的算法拷贝到幸存区域

• 当堆中伊甸园区域被逐渐被占满、幸存区域中对象超过阈值后，触发 Young Collection 并 STW 和 进行初始标记。将伊甸园区域幸存的对象使用复制的算法拷贝到幸存区域，将幸存区域中没有超过阈值的对象拷贝到另一个幸存区域，将幸存区域中超过阈值的对象晋升到老年代区域

3）Young Collection + 并发标记

• Young Collection：在 Young GC 时会进行 GC Root 的初始标记

• 并发标记：老年代区域占用堆空间比例达到阈值时，进行 并发标记（不会 STW），由下面的 JVM 参数决定

  -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent （默认45%）

4）Mixed Collection

会对 E、S、O 进行全面垃圾回收

• 最终标记（Remark）会 STW

• 拷贝存活（Evacuation）会 STW：会选择回收价值最高（获得的空间大小、回收所需时间）的区域进行回收，以满足暂停时间的设置

  -XX:MaxGCPauseMillis=ms

5）写屏障

在虚拟机层面对 “引用类型字段赋值” 这个动作的AOP切面。也就是说在赋值的前后增加相应代码执行额外的动作

• 写后屏障：解决跨代引用问题，维护记忆集
• 写前屏障：解决并发标记阶段的引用变更问题，并发扫描时的原始快照

6）跨代引用

新生代回收的跨代引用（老年代引用新生代）问题

• 记忆集（Remembered Set） 与 卡表（记忆集的实现）

• 在引用变更时，更新脏卡：通过 post-write barrier**（写后屏障）** + dirty card queue

  • 异步更新：concurrent refinement threads 更新 Remembered Set

7）重新标记-Remark

pre-write barrier （写前屏障） + satb_mark_queue

• 删除引用（原始快照）：白色的C对象 被 灰色的B对象 所引用，但在处理前被用户线程删除了灰色B对象的引用。
  • 异步更新：此时C对象 删除引用操作前的写前屏障将C对象加入到一个队列中，并将其标记为灰色
• 插入引用：用户线程让 黑色的A对象 引用 白色的C对象。
• 重新标记阶段：STW，将队列中的对象取出并进行重新检测

8）DK8u20字符串去重

• -XX:+UseStringDeduplication
• 优点：节省大量内存
• 缺点：略微多占用了 cpu 时间，新生代回收时间略微增加

String s1 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}
String s2 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}

• 将所有新分配的字符串放入一个队列。当新生代回收时，G1并发检查是否有字符串重复，如果它们值一样，让它们引用同一个 char[]
• 注意，与 String.intern() 不一样
  • String.intern() 关注的是字符串对象
  • 而字符串去重关注的是 char[]
  • 在 JVM 内部，使用了不同的字符串表

9）DK8u40并发标记类卸载

• -XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark： 默认启用

• 所有对象都经过并发标记后，就能知道哪些类不再被使用

• 卸载条件：当一个类加载器的所有类都不再使用，则卸载它所加载的所有类

10）DK8u60回收巨型对象

• 一个对象大于 region 的一半时，称之为巨型对象
• G1 不会对巨型对象进行拷贝，回收时被优先考虑
• G1 会跟踪老年代所有 incoming 引用，这样老年代 incoming 引用为0 的巨型对象就可以在新生代垃圾回收时处理掉

11）DK9并发标记起始时间的调整

• 并发标记必须在堆空间占满前完成，否则退化为 FullGC
• JDK 9 前：需要使用 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
• JDK 9 时：可以动态调整
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 用来设置初始值
  • 进行数据采样并动态调整，总会添加一个安全的空档空间

12）DK9更高效的回收

• 250+增强
• 180+bug修复
• https://docs.oracle.com/en/java/javase/12/gctuning

六、💡GC总结

• SerialGC

  • 新生代内存不足发生的垃圾收集 - minor gc
  • 老年代内存不足发生的垃圾收集 - full gc

• ParallelGC

  • 新生代内存不足发生的垃圾收集 - minor gc
  • 老年代内存不足发生的垃圾收集 - full gc

• CMS

  • 新生代内存不足发生的垃圾收集 - minor gc
  • 老年代内存不足发生的垃圾收集 - major gc
  • 并发清除失败导致老年代内存不足 - full gc

• G1

  • 新生代内存不足发生的垃圾收集 - minor gc
  • 老年代内存达到一定比例 - mixed gc
  • 混合收集失败导致老年代内存不足 - full gc（多线程）