垃圾收集器ParNew&CMS与底层三色标记算法详解

目录

1.垃圾收集算法

1.1 标记-复制算法

1.2 标记-清除算法

 1.3 标记-整理算法

 2.垃圾收集器

 2.1 Serial收集器

 2.2 Parallel Scavenge收集器

 2.3 ParallelNew收集器

 2.4 CMS收集器

3.电商系统优化JVM参数设置

4. 三色标记原理

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1.垃圾收集算法

常用的垃圾收集算法：分代收集理论(年轻代和老年代分别使用不同的垃圾回收算法)，标记-复制算法(年轻代)，标记整理算法(老年代)，标记清除算法(老年代)。

1.1 标记-复制算法

 标记复制算法，会将内存分为两块，一半使用过的内存块，一半未使用的内存块，在进行垃圾收集时，将还存活的对象复制整理到未使用的内存块，整理过后将使用过的内存块清除。

主要在年轻代中使用这个算法。

缺点：浪费内存，每次1G的内存只能使用500M。

1.2 标记-清除算法

标记出所有存活的对象或者标记所有可回收的对象，标记-清除算法会产生两个问题：

1. 效率问题：如果需要标记存活的对象太多会无法标记。

2. 空间问题：标记清理完成以后会产生大量的内存块，如果需要一整块连续的内存就会导致内存无法分配。

主要用于老年代中。

 

 1.3 标记-整理算法

通过标记垃圾对象将垃圾对象往存活对象一端移动，这样最终生成的内存空间是一端连续的内存块，存活对象和可使用对象。

 2.垃圾收集器

分代收集器:

        年轻代:serial,ParNew,Parallel

        老年代:CMS SerialOld Parallel Old

不分代算法:

        G1等，其他了解即可。

为什么要设计这么多垃圾收集器？就是因为内存在不断变大，市面上没有一种完美的垃圾收集器，都在不停完善中。垃圾收集算法是方法论，垃圾收集器是垃圾收集算法的具体实现。

tips:在大内存3-4G情况下推荐使用CMS收集器，如果只有2-3G使用Parallnel收集器，因为Parallnel收集器更关注吞吐量，STW只有一个过程集中用来垃圾回收，相对应STW时间会更短，但是CMS在大内存情况下牺牲了时间，为了用户体验至上，只有2个STW时间，最耗时间的并发标记不STW，用户体验上来说更好。

JDK8推荐CMS垃圾收集器，jdk9推荐使用G1垃圾收集器。jdk11推荐使用ZGC垃圾收集器。

JVM调优例子，8G的内存分配4G给JVM，参数如下，按照顺序 堆初始内存；堆最大内存 ；年轻代大小；桟线程大小；元空间初始值；元空间最大初始值 ；年轻代三个区域比例(Eden:S0:S1)=8:1:1 ；年轻代分代年龄(minor GC次数)；大对象

‐ Xms3072M ‐ Xmx3072M ‐ Xmn2048M ‐ Xss1M ‐ XX : MetaspaceSize = 256 M ‐ XX : MaxMetaspaceSize = 256 M ‐ XX : SurvivorRatio = 8  ‐ XX : MaxTenuringThreshold = 5 ‐ XX : PretenureSizeThreshold = 1 M

 2.1 Serial收集器

使用单线程实现垃圾回收，每次垃圾回收时都会停止所有工作线程专心做垃圾回收算法，也叫STW(Stop The World)。

优点：简单，适合于单核CPU中，几十M的内存。

缺点：无法适用于现在多CPU电脑。效率低下。

年轻代和老年代都可以使用serial收集器：-XX:+UseSerialGC -XX:+UseSerialOldGC

新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

 2.2 Parallel Scavenge收集器

并行垃圾收集器，跟serialn收集器不一样的是在垃圾收集时使用多线程去垃圾回收。

年轻代和老年代都可以使用parallel收集器：-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC

还可以使用-XX:ParallelGCThreads指定线程收集垃圾，一般与计算机CPU核数相同。不建议修改。

新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

jdk8默认使用这个垃圾收集器。

 2.3 ParallelNew收集器

ParallelNew收集器跟Parallel收集器基本相同，不同的一点是这个垃圾收集器可以兼容CMS收集器，年轻代使用ParallelNew收集器，老年代使用CMS收集器。

新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

可以使用-XX:+UseParNewGC指定使用这个垃圾收集器。

 2.4 CMS收集器

CMS收集器(Concurrent Mark Sweep,并发标记清除)。

1.初始标记:暂停所有工作线程STW，然后标记Gc roots引用的直接对象。

        直接对象:局部变量引用的new对象，静态变量引用的new对象等。

        这一步STW的目的是为了防止用户线程产生大量的直接对象。

2.并发标记:使用多线程来垃圾回收，这一步不停止用户线程，为了用户体验更好一些，初始标记很快，并发标记也不停止。可能导致对象状态改变。

3.重新标记:主要为了修复并发标记过程中可能产生的对象状态改变，主要使用了三色标记中的增量更新算法。这个过程也会STW，停顿时间大于初始标记，小于并发标记。

4.并发清理:开启用户线程，并发清理未被标记的区域，主要使用了三色标记算法。

5.并发重置:将三色标记的状态还原，用于下一次垃圾回收标记。 

主要使用标记清除算法。

面试问题：并发清理中的浮动垃圾可以处理吗？不可以，这次产生的浮动垃圾只能等待下一次Full GC才能回收。

标记清除的算法会导致大量空间碎片产生，可以通过开启-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection可以让jvm在做完并发清理以后再做整理。

Concurrent Mode Fail：在并发标记过程有用户线程有大量大对象产生，在FullGC时老年代无法清理出足够的内存用来存储大对象，此时会进入STW，CMS会切换为Serail OLD来清理老年代的内存，此时会变得很慢很慢。

CMS的相关核心参数 1. -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用cms 2. -XX:ConcGCThreads：并发的GC线程数 3. -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之后做压缩整理（减少碎片） 4. -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次FullGC之后压缩一次，默认是0，代表每次FullGC后都会压缩一 次 5. -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction: 当老年代使用达到该比例时会触发FullGC（默认是92，这是百分比） 6. -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：只使用设定的回收阈值(-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设 定的值)，如果不指定，JVM仅在第一次使用设定值，后续则会自动调整 7. -XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在CMS GC前启动一次minor gc，目的在于减少老年代对年轻代的引 用，降低CMS GC的标记阶段时的开销，一般CMS的GC耗时 80%都在标记阶段 8. -XX:+CMSParallellnitialMarkEnabled：表示在初始标记的时候多线程执行，缩短STW 9. -XX:+CMSParallelRemarkEnabled：在重新标记的时候多线程执行，缩短STW;

 

3.电商系统优化JVM参数设置

电商系统如果JVM内存在4-6G使用ParNew(新生代)+CMS(老年代)，如果大于8G推荐使用G1

ParNew+CMSJVM调优例子，8G的内存分配4G给JVM，参数如下，按照顺序 堆初始内存；堆最大内存 ；年轻代大小；桟线程大小；元空间初始值；元空间最大初始值 ；年轻代三个区域比例(Eden:S0:S1)=8:1:1 ；年轻代分代年龄(minor GC次数)；大对象;年轻代ParNew；老年代CMS；老年代92%的时候发生FullGC；标记整理后碎片整理；多少次FullGC以后发生碎片整理，默认0，一次FullGC就碎片整理，一般推荐配置个3也没什么问题表示4次FullGC以后发生碎片整理

‐ Xms3072M ‐ Xmx3072M ‐ Xmn2048M ‐ Xss1M ‐ XX : MetaspaceSize = 256 M ‐ XX : MaxMetaspaceSize = 256 M ‐ XX : SurvivorRatio = 8  ‐ XX : MaxTenuringThreshold = 5 ‐ XX : PretenureSizeThreshold = 1 M ‐ XX : + UseParNewGC ‐ XX : + UseConcMarkSweepGC ‐ XX : CMSInitiatingOccupancyFraction = 92 ‐ XX : + UseCMSCompactAtFullCollection ‐ XX : CMSFullGCsBeforeCompaction = 0

4. 三色标记原理

三色标记：将对象的状态分为白色，灰色，黑色。

从GC roots开始查找所有引用对象路径，如果已经分析过的直接引用对象由白色改为黑色。

如果黑色引用的对象还有没分析完的对象改为灰色

如果灰色引用的对象被标记过，没有其他对象引用变为黑色。其他没有被分析到的对象还是白色。

引用关系见下图。

三色标记的问题：

漏标的解决方法：增量更新和STAB，

STAB很好理解，灰色对象回收白色对象时记录下来，下一次标记的时候重新标记一次。下一次扫描结束以后以灰色为节点重新扫描一次，白色节点置为黑色。

增量更新：黑色插入白色标记时记录下来，下一次标记时以黑色对象为跟把这个关系重新扫描一遍。相当于将黑色对象当作灰色对象。

写屏障伪代码实现

void update(int field,int newVlue){

        //写前屏障

        field = newVlue;

        //写后屏障

}

并发标记对漏标的解决方案：

CMS：使用写屏障+增量更新实现

G1,shenandoah:使用写屏障+STAB实现

ZGC:读屏障

 

 

class A{
    private B b = new B();
}

class B{
    private C c = new C();
    private D d = new D();
}

class C{
}

class D{
}