编程必学的GC 调优基础

在经过了几次跳票之后，Java 9终于在原计划日期的整整一年之后发布了正式版。Java 9引入了很多新的特性，除了闪瞎眼的Module System和REPL，最重要的变化我认为是默认GC(Garbage Collector)修改为新一代更复杂、更全面、性能更好的G1(Garbage-First)。JDK的维护者在GC选择上一直是比较保守的，G1从JDK 1.6时代就开始进入开发者的视野，直到今天正式成为Hotspot的默认GC，也是走了很长的路。

本文将主要讲解GC调优需要知道的一些基础知识，会涉及到一些GC的实现细节，但不会对实现细节做很全面的阐述，如果你看完本文之后，能对GC有一个大致的认识，那本文的写作目的也就达到了。由于在这次写作过程中，恰逢Java 9正式版发布，之前都是依赖Java 8的文档写的，如果有不正确的地方还望指正。本文将包含以下内容：

1.GC的作用范围

2.GC负责的事情

3.JVM中的4种GC

4.G1的一些细节

5.使用Java 9正式版对G1进行测试

6.一些简单的GC调优方法

一、GC的作用范围

要谈GC的作用范围，首先要谈JVM的内存结构，JVM内存中主要有以下几个区域：堆、方法区(JVM规范中的叫法，Hotspot大致对应的是Metaspace)、栈、本地方法栈、PC等，其中GC主要作用在堆上，如下图所示：

JVM内存结构

其中堆和方法区是所有线程共享的，其他则为线程独有，HotSpot JVM使用基于分代的垃圾回收机制，所以在堆上又分为几个不同的区域(在G1中，各年龄代不再是连续的一整片内存，为了描述方便，这里还使用传统的表示方法)，具体如下图所示：

JVM堆中的分区

二、GC负责的事情

GC的发展是随着JDK(Standard Edition)的发展一步步发展起来的，垃圾回收(Garbage Collection)可以说是JDK里最影响性能的行为了。GC做的事情，说白了就是「通过对内存进行管理，以在内存足够的时候，程序可以正常的使用内存」。具体而言，GC通常做的事情有以下3个：

1. 分配对象和对象的年龄管理

通常而言，GC需要管理「在上图中的年轻代(Young)分配对象，然后通过一系列的年龄管理，将之销毁或晋升到老年代(Tenured)中去」的过程。这个过程会伴随着若干次的Minor GC。

对于普通的对象而言，分配内存是一件很简单而且快速的事情。在对象还未创建时，其所占内存大小通过类的元数据就可以确定，而Eden区域的内存可以认为是连续的，所以给对象分配内存要做的只是在上图中Eden区域中把指针移动相应的长度，并将地址返回给对象的引用即可。当然实际的过程比这个复杂，在下文中会提到。

不过，有时候一个对象会直接在老年代中创建，这个点也会在后边提到。

2. 在老年代中进行标记

老年代的GC算法可以大致是认为是一个标记-整理(Mark-Compact，其实是混合了标记-清理，标记-复制和标记-整理)算法，所以老年代的垃圾清理首先要做的就是在老年代对存活的对象(可达性分析，关于不同的可达性可以参考JDK解构 – Java中的引用和动态代理的实现)进行标记，对于寻求大吞吐量的服务器应用来说，这个过程往往需要是并发的。

标记的过程发生在Major GC被触发之后，不同的GC对于MajorGC的触发条件和标记过程的实现也不尽相同。

3. 在老年代中进行压缩

在上一条的基础上，将还存活的对象进行压缩(CMS和G1的行为与此有些不同之处)，压缩的过程就是将存活的对象从老年代的起点进行挨个复制，使得老年代维持在一片连续的内存中，消除内存碎片，对于内存分配速度的提升会有很大的帮助。

三、GC的种类

Hotspot会根据宿主机的硬件特性和操作系统类型，将之分为客户端型(client-class)或者服务器型(server-class)，如果是服务器型主机，Java 9之前默认使用Parallel GC，Java 9中默认使用G1。对于服务器型主机的选择标准是「CPU核心数大于1，内存大于2GB」，所以现在大部分的主机都可以认为是服务器型主机。

这里讨论的所有GC都是基于分代垃圾回收算法的。

1. Serail

Serail是最早的一款GC，它只使用一个线程来做所有的Minor和Major垃圾回收。它在运行时，其他所有的事情都会暂停。其工作方式十分简单，在需要GC的安全点，它会停止所有其他线程(Stop-The-World)，对年轻代进行标记-复制，或对老年代进行标记-整理。

可以使用JVM参数-XX:+UseSerialGC来开启此GC，当使用此参数时，年轻代和老年代将都是用Serial来做垃圾回收。在年轻代使用标记-复制算法，将Eden中存活的对象和非空的Suvivor区(From)中存活的对象复制到空的Suvivor区(To)中去，同时将一部分Suvivor中的对象晋升到老年代去。在老年代则使用标记-整理算法。

看起来Serial古老而简陋，但在宿主机资源紧张或者JVM堆很小的情况下(比如堆内存大小只有不到100M)，Serial反而可以达到更好的效果，因为其他并发或并行GC都是基于多线程的，会带来额外的线程切换和线程间通信的开销。

2. Parallel/Throughput

Parallel在Java 9之前是服务器型宿主机中JVM的默认GC，其垃圾回收的算法和Serial基本相同，不同之处在与它使用多线程来执行。由于使用了多线程，可以享受多核CPU带来的优势，可以通过参数-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC显示指定。

3. CMS

CMS和G1都属于「Mostly Concurrent Mark and Sweep Garbage Collector」，可以使用-XX:+UseConcMarkSweepGC参数打开。CMS的年轻代垃圾回收使用的是Parallel New来做，其行为和Parallel中的差不多相同，他们的实现上有一些不同的地方，比如Parallel可以自动调节年轻代中各区的大小，用的是广度优先搜索等。

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