GC算法

-XX:+UseSerialGC

新生代和老年代都使用串行收集器

串行收集器使用单线程并且是独占式的垃圾回收

-XX:+UseParNewGC

新生代使用ParNew垃圾回收器，老年代使用串行收集器

ParNew是串行收集器的多线程版本，只工作在新生代（可以见名知义，ParNew:Paralle New,并行新生代）。可以考虑在CPU并发能力强的系统中使用ParNew，单CPU的话，性能不一定比串行收集器好。

-XX:+UseParallelGC

新生代使用ParallelGC回收器，老年代使用串行收集器

ParallelGC是工作在新生代的并行垃圾收集器，使用复制算法。只是它更关注系统的吞吐量，所以和ParNewGC的一个区别是有相关参数可以设置GC的停顿时间。

-XX:+UseParallelOldGC

新生代使用ParallelGC，老年代使用ParallelOldGC

ParallelOldGC是ParallelGC的老年代版本，只工作在老年代，使用标记压缩的回收算法，JDK1.6版本及之后支持

-XX:+UseConcMarkSweepGC

新生代使用ParNew，老年代使用CMS

CMS垃圾收集器更关注系统停顿时间，采用标记清除算法并且使用多线程并行回收。

CMS在GC失败时，老年代会使用串行收集器

-XX:+UseG1GC

使用G1回收器，同时作用于新生代和老年代

工作在新生代的垃圾收集器：SerialGC、ParNewGC、ParallelGC

工作在老年代的垃圾收集器：CMS、SerialGC、ParallelOldGC

G1同时在新生代和老年代工作。

查看当前jvm采用的GC算法

或查看gc日志

GC统计

1. cms简介

CMS(Concurrent Mark and Sweep 并发-标记-清除)，是一款基于并发、使用标记清除算法的垃圾回收算法，只针对老年代进行垃圾回收。CMS收集器工作时，尽可能让GC线程和用户线程并发执行，以达到降低STW时间的目的。

-XX:+UseConcMarkSweepGC

值得补充的是，下面介绍到的CMS GC是指老年代的GC，而Full GC指的是整个堆的GC事件，包括新生代、老年代、元空间等，两者有所区分

1.1 名词解释

可达性分析算法：用于判断对象是否存活，基本思想是通过一系列称为“GC Root”的对象作为起点（常见的GC Root有系统类加载器、栈中的对象、处于激活状态的线程等），基于对象引用关系，从GC Roots开始向下搜索，所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Root没有任何引用链相连，证明对象不再存活。

Stop The World：GC过程中分析对象引用关系时，为了保证分析结果的准确性，需要通过停顿所有Java执行线程，保证引用关系不再动态变化，该停顿事件称为Stop The World(STW)。

Safepoint：代码执行过程中的一些特殊位置，当线程执行到这些位置的时候，说明虚拟机当前的状态是安全的，如果有需要GC，线程可以在这个位置暂停。HotSpot采用主动中断的方式，让执行线程在运行期轮询是否需要暂停的标志，若需要则中断挂起。

1.2 老年代垃圾回收

CMS GC以获取最小停顿时间为目的，尽可能减少STW时间，可以分为7个阶段

1.3 CMS常见问题

最终标记阶段停顿时间过长问题：

CMS的GC停顿时间约80%都在最终标记阶段(Final Remark)，若该阶段停顿时间过长，常见原因是新生代对老年代的无效引用，在上一阶段的并发可取消预清理阶段中，执行阈值时间内未完成循环，来不及触发Young GC，清理这些无效引用

通过添加参数：-XX:+CMSScavengeBeforeRemark。在执行最终操作之前先触发Young GC，从而减少新生代对老年代的无效引用，降低最终标记阶段的停顿，但如果在上个阶段(并发可取消的预清理)已触发Young GC，也会重复触发Young GC

并发模式失败(concurrent mode failure) & 晋升失败(promotion failed)问题

并发模式失败：当CMS在执行回收时，新生代发生垃圾回收，同时老年代又没有足够的空间容纳晋升的对象时，CMS 垃圾回收就会退化成单线程的Full GC。所有的应用线程都会被暂停，老年代中所有的无效对象都被回收

晋升失败：当新生代发生垃圾回收，老年代有足够的空间可以容纳晋升的对象，但是由于空闲空间的碎片化，导致晋升失败，此时会触发单线程且带压缩动作的Full GC

内存碎片问题：

通常CMS的GC过程基于标记清除算法，不带压缩动作，导致越来越多的内存碎片需要压缩。

常见以下场景会触发内存碎片压缩：

新生代Young GC出现新生代晋升担保失败(promotion failed)
程序主动执行System.gc()

可通过参数CMSFullGCsBeforeCompaction的值，设置多少次Full GC触发一次压缩，默认值为0，代表每次进入Full GC都会触发压缩，带压缩动作的算法为上面提到的单线程Serial Old算法，暂停时间(STW)时间非常长，需要尽可能减少压缩时间。

模拟代码：

public static void main(String[] args) {
    List<byte[]> res = new ArrayList<>();
    byte[] array = null;
    while (true){
        int num=(int)(Math.random()*100-1);
        array = new byte[2 * 1024 * num];
        res.add(array);
        System.out.println(array.length);
    }
}

启动参数增加：参考：https://open.atatech.org/articles/249506

产生碎片可通过gc日志查看：

通过其中一段日志发现GC前：

剩余总空间 Total Free Space：82563*8/1024/1024=0.62MB,

最大连续空间 Max Chunk Size：230*8/1024=1.79KB

连续空间个数 Number of Blocks: 3349

碎片率 frag: 0.9683 = 96.83%

GC后：

剩余总空间 Total Free Space：84644*8/1024/1024=0.64MB,

最大连续空间 Max Chunk Size：254*8/1024=1.98KB

连续空间个数 Number of Blocks: 3356

碎片率 frag: 0.9943 = 99.43%

从第一次GC开始碎片率逐步升高，直到最后面的Number of Blocks等于1 ，碎片全部被清除，整个GC耗时2秒多。

GC统计数据变化：

发现到达一定时间后，老年代的GC次数在快速增加，GC耗时也在逐步增加, 直到最后的OutOfMemoryError

@cpe-172-100-1-50 ~ % jstat -gcutil 45198 5000
S0 S1 E O M CCS YGC YGCT FGC FGCT GCT
0.00 0.00 21.97 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 28.24 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 35.14 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 40.90 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 48.25 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 54.10 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 62.69 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 68.61 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 73.84 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 81.41 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 87.55 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 95.41 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 0.00 100.00 0.00 17.71 19.94 0 0.000 0 0.000 0.000
0.00 100.00 7.05 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 15.10 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 21.03 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 29.59 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 34.66 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 42.52 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 48.89 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 57.65 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 64.09 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 70.07 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 77.49 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 86.10 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 92.71 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
0.00 100.00 97.78 31.54 62.24 60.70 1 0.047 0 0.000 0.047
99.99 0.00 8.06 60.00 62.25 60.70 2 0.096 3 0.009 0.105
99.99 0.00 14.84 60.00 62.25 60.70 2 0.096 4 0.013 0.109
99.99 0.00 21.59 60.00 62.25 60.70 2 0.096 5 0.014 0.110
99.99 0.00 28.31 60.00 62.25 60.70 2 0.096 7 0.019 0.116
99.99 0.00 33.43 60.00 62.25 60.70 2 0.096 9 0.024 0.120
99.99 0.00 41.96 60.00 62.25 60.70 2 0.096 10 0.029 0.125
99.99 0.00 49.28 60.00 62.25 60.70 2 0.096 11 0.030 0.126
99.99 0.00 55.25 60.00 62.25 60.70 2 0.096 13 0.037 0.133
99.99 0.00 62.93 60.00 62.25 60.70 2 0.096 14 0.038 0.134
99.99 0.00 70.33 60.00 62.25 60.70 2 0.096 15 0.039 0.135
99.99 0.00 77.26 60.00 62.25 60.70 2 0.096 17 0.045 0.141
99.99 0.00 82.49 60.00 62.25 60.70 2 0.096 18 0.048 0.144
99.99 0.00 88.85 60.00 62.25 60.70 2 0.096 19 0.049 0.145
99.99 0.00 97.21 60.00 62.25 60.70 2 0.096 21 0.055 0.151
0.00 99.99 2.11 60.00 62.25 60.70 3 0.133 24 0.062 0.195
0.00 99.99 8.22 60.00 62.25 60.70 3 0.133 25 0.063 0.196
0.00 99.99 16.60 60.00 62.25 60.70 3 0.133 27 0.068 0.201
0.00 99.99 22.65 60.00 62.25 60.70 3 0.133 29 0.074 0.207
0.00 99.99 27.97 60.00 62.25 60.70 3 0.133 30 0.079 0.212
0.00 99.99 34.85 60.00 62.25 60.70 3 0.133 31 0.080 0.213
0.00 99.99 41.21 60.00 62.25 60.70 3 0.133 33 0.087 0.220
0.00 99.99 49.15 60.00 62.25 60.70 3 0.133 34 0.092 0.225
0.00 99.99 54.81 60.00 62.25 60.70 3 0.133 35 0.093 0.227
0.00 99.99 61.89 60.00 62.25 60.70 3 0.133 37 0.100 0.233
0.00 99.99 67.94 60.00 62.25 60.70 3 0.133 39 0.105 0.238
0.00 99.99 75.76 60.00 62.25 60.70 3 0.133 40 0.109 0.242
0.00 99.99 81.64 60.00 62.25 60.70 3 0.133 41 0.110 0.243
0.00 99.99 87.37 60.00 62.25 60.70 3 0.133 43 0.114 0.247
0.00 99.99 95.22 60.00 62.25 60.70 3 0.133 44 0.117 0.250
99.99 0.00 2.16 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 9.63 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 16.49 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 24.43 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 31.96 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 38.85 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 45.43 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 53.06 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 58.61 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 65.95 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 72.51 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 79.70 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 87.10 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
99.99 0.00 92.81 60.00 62.25 60.70 4 0.184 46 0.120 0.303
0.00 99.98 2.02 60.00 62.25 60.70 5 0.230 48 0.121 0.351
0.00 99.98 8.40 60.00 62.25 60.70 5 0.230 48 0.121 0.351
0.00 99.98 13.40 60.00 62.25 60.70 5 0.230 48 0.121 0.351
0.00 99.98 20.16 60.00 62.25 60.70 5 0.230 48 0.121 0.351
0.00 99.98 27.80 60.00 62.25 60.70 5 0.230 48 0.121 0.351
0.00 99.98 33.37 60.00 62.25 60.70 5 0.230 48 0.121 0.351

2. G1简介

G1(Garbage-First）是一款面向服务器的垃圾收集器，支持新生代和老年代空间的垃圾收集，主要针对配备多核处理器及大容量内存的机器，G1最主要的设计目标是: 实现可预期及可配置的STW停顿时间

2.1 G1堆空间划分

Region

为实现大内存空间的低停顿时间的回收，将划分为多个大小相等的Region。每个小堆区都可能是 Eden区，Survivor区或者Old区，但是在同一时刻只能属于某个代。

在逻辑上, 所有的Eden区和Survivor区合起来就是新生代，所有的Old区合起来就是老年代，且新生代和老年代各自的内存Region区域由G1自动控制，不断变动

巨型对象

当对象大小超过Region的一半，则认为是巨型对象(Humongous Object)，直接被分配到老年代的巨型对象区(Humongous regions)，这些巨型区域是一个连续的区域集，每一个Region中最多有一个巨型对象，巨型对象可以占多个Region。

G1把堆内存划分成一个个Region的意义在于：

每次GC不必都去处理整个堆空间，而是每次只处理一部分Region，实现大容量内存的GC

通过计算每个Region的回收价值，包括回收所需时间、可回收空间，在有限时间内尽可能回收更多的内存，把垃圾回收造成的停顿时间控制在预期配置的时间范围内，这也是G1名称的由来: garbage-first

2.2 G1工作模式

针对新生代和老年代，G1提供2种GC模式，Young GC和Mixed GC，两种会导致Stop The World

1、Young GC 当新生代的空间不足时，G1触发Young GC回收新生代空间 Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时触发，基于分代回收思想和复制算法，每次Young GC都会选定所有新生代的Region，同时计算下次Young GC所需的Eden区和Survivor区的空间，动态调整新生代所占Region个数来控制Young GC开销。

2、Mixed GC 当老年代空间达到阈值会触发Mixed GC，选定所有老年代里的Region，根据全局并发标记统计得出收集收益高的若干老年代 Region。在用户指定的开销目标范围内，尽可能选择收益高的老年代Region进行GC，通过选择哪些老年代Region和选择多少Region来控制Mixed GC开销。

2.3 G1注意点

Full GC问题

G1的正常处理流程中没有Full GC，只有在垃圾回收处理不过来(或者主动触发)时才会出现， G1的Full GC就是单线程执行的Serial old gc，会导致非常长的STW，是调优的重点，需要尽量避免Full GC，常见原因如下：

1) 程序主动执行System.gc()

2) 全局并发标记期间老年代空间被填满（并发模式失败）

3) Mixed GC期间老年代空间被填满（晋升失败）

4) Young GC时Survivor空间和老年代没有足够空间容纳存活对象

类似CMS，常见的解决是：

1) 增大-XX:ConcGCThreads=n 选项增加并发标记线程的数量，或者STW期间并行线程的数量：-XX:ParallelGCThreads=n

2) 减小-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提前启动标记周期

3) 增大预留内存 -XX:G1ReservePercent=n ，默认值是10，代表使用10%的堆内存为预留内存，当Survivor区域没有足够空间容纳新晋升对象时会尝试使用预留内存

巨型对象分配

巨型对象区中的每个Region中包含一个巨型对象，剩余空间不再利用，导致空间碎片化，当G1没有合适空间分配巨型对象时，G1会启动串行Full GC来释放空间。可以通过增加 -XX:G1HeapRegionSize来增大Region大小，这样一来，相当一部分的巨型对象就不再是巨型对象了，而是采用普通的分配方式