JVM专题十二：JVM 中的收集器二

上一篇JVM专题十一：JVM 中的收集器一咱们介绍了垃圾收集器的分类，已经主流的分代垃圾收集器重点看了CMS与三色标记算法，本篇咱们继续来看意G1、ZGC等。

G1收集器

G1（Garbage-First Garbage Collector）是一种服务器端的垃圾收集器，专为大堆内存和低延迟垃圾收集设计。以下是G1收集器的关键特性和工作模式的概述：

G1收集器关键特性

  1. 分代收集：G1将堆内存分为多个大小相等的区域（Region），每个Region可以是Eden、Survivor或Old区。

    • 可以通过-XX:G1HeapRegionSize=n设置Region大小。

  2. 大对象处理：大对象（超过Region大小50%的对象）会被放入专门的Humongous区。

    • 大对象可能横跨多个Region。

  3. 增量回收：G1可以逐步、增量地执行垃圾回收，有助于控制停顿时间。

  4. 并行回收：G1可以利用多核CPU并行回收垃圾，提高回收速度。

  5. 标记-整理算法：老年代回收使用标记-整理算法，避免内存碎片化。

    • 新生代回收使用复制算法。

  6. STW（Stop the World）：G1在垃圾回收时仍需STW，但增加了预测机制来控制停顿时间。

  7. 停顿时间预测：用户可以通过-XX:MaxGCPauseMillis指定期望的停顿时间。

G1收集器工作模式

  1. Young GC：当Eden区内存不足时触发，回收新生代Region。

  2. Mixed GC：当老年代空间占比超过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent设定的阈值时触发，回收年轻代和部分老年代Region。

    • 采用复制算法。

  3. Full GC：当老年代空间不足且-XX:G1HeapWastePercent设定过低时可能触发，进行整个堆的回收。

G1收集器参数设置

G1收集器参数设置 -XX:+UseG1GC:使用G1收集器-XX:ParallelGCThreads:指定GC工作的线程数量-XX:G1HeapRegionSize:指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的N次幂)，默认将整堆划分为2048个分区-XX:MaxGCPauseMillis:目标暂停时间(默认200ms)-XX:G1NewSizePercent:新生代内存初始空间(默认整堆5%，值配置整数，默认就是百分比)-XX:G1MaxNewSizePercent:新生代内存最大空间-XX:TargetSurvivorRatio:Survivor区的填充容量(默认50%)，Survivor区域里的一批对象(年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象)总和超过了Survivor区域的50%，此时就会把年龄n(含)以上的对象都放入老年代-XX:MaxTenuringThreshold:最大年龄阈值(默认15)-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent:老年代占用空间达到整堆内存阈值(默认45%)，则执行新生代和老年代的混合收集(MixedGC)，比如我们之前说的堆默认有2048个region，如果有接近1000个region都是老年代的region，则可能就要触发MixedGC了-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent(默认85%)  region中的存活对象低于这个值时才会回收该region，如果超过这个值，存活对象过多，回收的的意义不大。-XX:G1MixedGCCountTarget:在一次回收过程中指定做几次筛选回收(默认8次)，在最后一个筛选回收阶段可以回收一会，然后暂停回收，恢复系统运行，一会再开始回收，这样可以让系统不至于单次停顿时间过长。-XX:G1HeapWastePercent(默认5%): gc过程中空出来的region是否充足阈值，在混合回收的时候，对Region回收都是基于复制算法进行的，都是把要回收的Region里的存活对象放入其他Region，然后这个Region中的垃圾对象全部清理掉，这样的话在回收过程就会不断空出来新的Region，一旦空闲出来的Region数量达到了堆内存的5%，此时就会立即停止混合回收，意味着本次混合回收就结束了。

G1收集器优化建议

G1垃圾收集器的优化主要集中于平衡GC的频率和停顿时间，以及管理新生代和老年代之间的对象晋升。以下是一些针对G1收集器的优化建议：

  1. 合理设置-XX:MaxGCPauseMillis：这个参数定义了G1试图达到的最大GC停顿时间。如果设置得过高，可能会导致年轻代GC不频繁，从而在触发时有大量对象存活并晋升到老年代。相反，如果设置得过低，可能会导致GC过于频繁，影响整体性能。

  2. 监控年轻代GC后的存活对象：监控每次年轻代GC后存活下来的对象数量，以评估当前的GC策略是否有效。如果存活对象过多，可能需要调整-XX:MaxGCPauseMillis或其他相关参数。

  3. 调整新生代大小：通过-XX:G1NewSizePercent和-XX:G1MaxNewSizePercent参数调整新生代的大小，以适应应用的特定需求。确保新生代足够大，可以容纳大部分短暂存活的对象，减少对象晋升到老年代的频率。

  4. 监控Survivor区使用情况：Survivor区溢出是对象晋升到老年代的一个常见原因。如果Survivor区频繁溢出，可能需要增加其大小或调整其他参数。

  5. 使用动态年龄判定规则：G1使用动态年龄判定规则来决定对象何时晋升到老年代。监控这一规则的效果，并根据应用的行为调整-XX:TargetSurvivorRatio和-XX:MaxTenuringThreshold参数。

  6. 避免频繁的Mixed GC：频繁的Mixed GC可能会影响性能。通过调整参数，尽量使Mixed GC在必要时才触发，并且每次回收的Region数量能够有效地控制停顿时间。

  7. 监控和优化Full GC：虽然G1旨在减少Full GC的发生，但在某些情况下仍然可能触发。监控Full GC的发生频率，并优化堆空间使用，以减少Full GC的影响。

  8. 使用G1收集器的调优工具：使用JVM提供的工具，如GC日志和JVM监控工具，来分析GC行为并进行调优。

  9. 考虑应用特定行为：不同的应用可能有不同的内存分配模式和GC需求。根据应用的具体行为来调整G1的参数，以达到最优性能。

  10. 测试和评估：在不同的负载和条件下测试G1的参数设置，评估其对性能的影响，并根据测试结果进行调整。

通过细致地调整和监控G1收集器的参数，可以优化垃圾收集的性能，减少GC引起的停顿时间，提高应用的响应速度和吞吐量。

G1收集器适用场景

  • 大堆内存应用（8GB以上）。
  • 对象分配和晋升速度变化大。
  • 需要低延迟和可预测停顿时间的垃圾收集。

G1收集器通过其创新的Region划分和垃圾收集策略，为现代Java应用提供了一种有效的垃圾收集解决方案，尤其适用于大堆内存和对延迟敏感的应用场景。通过合理的参数设置和监控，G1可以显著提高应用的性能和响应性。

ZGC收集器

ZGC（The Z Garbage Collector）是Java虚拟机（JVM）在JDK 11中引入的一种实验性质的低延迟垃圾收集器，专为大内存和低延迟服务设计。以下是对ZGC收集器特性和工作过程的整理：

ZGC关键特性

  • 低延迟目标：最大GC停顿时间不超过10ms。
  • 大堆支持：设计用于支持TB级别的内存容量，当前支持8MB到4TB，未来可支持16TB。
  • 与堆大小无关的停顿时间：停顿时间不随堆大小或活跃对象大小的增加而增长。
  • 指针染色（Colored Pointer）：在对象指针中嵌入额外的位来存储对象的状态信息，如是否被移动或存活状态。
  • 读屏障（Load Barrier）：在对象访问时插入的特殊检查，用于确保访问的正确性，并处理对象移动后的指针更新。

内存布局

  • 采用基于Region的内存布局，但与G1不同，ZGC的Region不分代。
  • 64位虚拟地址空间划分为多个子空间，包括Java堆、M0地址空间、M1地址空间和Remapped空间。

工作过程

ZGC周期由三个STW（Stop-The-World）暂停和四个并发阶段组成：

  1. 标记开始（Mark Start）：初始标记GC Roots直接可达的对象。
  2. 重新映射开始（Relocation Start）：选择将要清理的内存区域，并建立数据结构以进行对象移动。
  3. 并发标记/重新映射 (M/R)：并发遍历对象图，标记所有可达的对象，并更新指向移动对象的引用。
  4. 并发引用处理 (RP)：处理软引用、弱引用等特殊引用类型。
  5. 并发转移准备 (EC)：确定哪些内存区域将被清理，并准备数据结构。
  6. 并发转移 (RE)：将存活的对象从旧位置移动到新位置，应用程序可继续运行。

优势

  • 利用指针染色和读屏障技术，实现几乎整个垃圾收集过程的并发执行，显著降低停顿时间。
  • 支持大容量内存，适用于未来大规模内存需求的应用。

局限性

  • 由于采用“空间换时间”的策略，可能会占用更多的地址空间。
  • 目前仅支持64位系统，不支持32位系统和压缩指针。

参数设置

类别配置选项说明
通用GC选项-XX:MinHeapSize 或 -Xms设置JVM堆的最小大小。
-XX:InitialHeapSize设置JVM堆的初始大小。
-XX:MaxHeapSize 或 -Xmx设置JVM堆的最大大小。
-XX:SoftMaxHeapSize设置堆大小的软限制，达到此值可能会触发GC。
-XX:ConcGCThreads设置并发垃圾收集的线程数量。
-XX:ParallelGCThreads设置并行垃圾收集的线程数量。
-XX:UseLargePages启用大页内存支持，提高内存分配效率。
ZGC特定选项-XX:+UnlockExperimentalVMOptions解锁实验性VM选项。
-XX:+UseZGC启用Z Garbage Collector。
-XX:ZAllocationSpikeTolerance设置分配峰值的容忍度。
-XX:ZCollectionInterval设置ZGC的垃圾收集间隔。
-XX:ZFragmentationLimit设置ZGC堆碎片的容忍度。
-XX:ZMarkStackSpaceLimit设置ZGC标记阶段堆栈空间的限制。
-XX:ZUncommit控制ZGC是否取消提交未使用的内存区域。
-XX:ZUncommitDelay设置ZGC取消提交内存的延迟时间。
ZGC诊断选项-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions解锁诊断VM选项。
-XX:zStatisticsInterval设置ZGC统计信息输出的间隔。
-XX:ZVerifyForwarding启用ZGC转发指针的验证。
-XX:ZVerifyMarking启用ZGC标记阶段的验证。
-XX:ZVerifyobjects启用ZGC对象的验证。
-XX:ZVerifyRoots启用ZGC根对象的验证。
-XX:ZVerifyViews启用ZGC视图的验证。
-xx:zProactive启用ZGC的主动垃圾收集策略。
其他选项-XX:UseNUMA启用对非统一内存访问（NUMA）架构的支持。
-XX:UseTransparentHugePages启用透明大页内存支持。
-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB设置软引用的LRU策略，与每MB内存相关的时间。
堆分配选项-XX:AllocateHeapAt控制JVM堆分配的内存地址。

请注意，某些配置选项可能需要根据具体的JVM实现和版本进行调整。在使用这些选项时应参考官方文档，并在生产环境中进行充分测试。

触发机制

  • 支持定时触发、预热触发、分配速率触发和主动触发。

小结

ZGC通过其创新的垃圾收集策略和技术，实现了在大堆内存上的低延迟垃圾收集，特别适用于对延迟敏感的大规模应用。随着JDK版本的更新，ZGC有望得到进一步的优化和性能提升。尽管存在一些局限性，ZGC的设计理念和实现技术为Java垃圾收集器的发展提供了新的方向。

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