JVM虛擬機(jī)之Garbage-First垃圾收集器

肖洋

【摘要】在JVM（Java Virtual Machine）的研究上，有很多方面的應(yīng)用，但是在其最基礎(chǔ)的依賴應(yīng)用上，還要說一說性能管理相關(guān)的應(yīng)用。我們通過對Garbage-First（簡稱G1）的研究，從各個(gè)方面總結(jié)出G1的優(yōu)劣勢，讓各個(gè)JVM中能更優(yōu)的選擇相關(guān)的垃圾收集器。本文總結(jié)了G1相關(guān)特性，列舉了部分的應(yīng)用場景及有利條件，從而給使用者一個(gè)更正確的應(yīng)用場景。

【關(guān)鍵詞】垃圾收集器 JVM Garbage-First

一.引言：

自2000年以來，我國的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)，在相關(guān)創(chuàng)新、應(yīng)用、研究上也有了不同程度的進(jìn)展。在應(yīng)用服務(wù)器上，選擇垃圾回收器是最重要的環(huán)節(jié)之一，它不僅僅是有利于程序的研發(fā)，在某些場景里，更可能作為與別的應(yīng)用程序的競爭優(yōu)勢。

在JVM垃圾收集器歷史發(fā)展上，相關(guān)的垃圾收集器已經(jīng)百花齊放了。但是不同垃圾收集器，有不同的優(yōu)劣勢，也有不同的工作場景，所以，在應(yīng)用服務(wù)器選擇垃圾收集器的同時(shí)，也需要選擇恰當(dāng)?shù)睦占鳌?/p>

JVM的垃圾收集器，從Serial收集器到ParNew，再到后面先進(jìn)的CMS（Concurrent Mark Sweep），到現(xiàn)在使用的G1垃圾收集器以及研發(fā)階段的Shenandoah都在對相關(guān)算法不斷的升級與改造，但是任何算法都不是完美的，只有最合適某一種應(yīng)用場景的算法，沒有適合所有應(yīng)用場景的算法。

二.G1收集器

2.1 何為G1垃圾收集器

G1（Garbage-First）垃圾收集器是目前的虛擬機(jī)垃圾收集器中比較先進(jìn)的垃圾收集器之一，在JDK1.7中替換了原本的CMS垃圾收集器[1]。相比較CMS垃圾收集器，G1倍受關(guān)注的是收集器在工作時(shí)的STW（Stop The World）的時(shí)長。G1的優(yōu)勢非常明顯，并行與并發(fā)、分代手機(jī)、空間整合、可預(yù)測性停頓等等[2]都是G1在發(fā)布時(shí)不可替代的優(yōu)勢，這樣就使之成為現(xiàn)在風(fēng)靡一時(shí)的垃圾回收器。

2.2 G1垃圾收集器算法特點(diǎn)

G1垃圾收集器作為現(xiàn)在最流行的垃圾回收器，當(dāng)然有它一定的優(yōu)勢。在CMS垃圾機(jī)制時(shí)期，我們都知道JVM的堆內(nèi)存，是需要進(jìn)行Eden區(qū)，Servivor區(qū)和Old Genaretion區(qū)的分配[3]。但是對于G1來說，JVM并不需要分配那么復(fù)雜的內(nèi)存區(qū)分配。對象的所有生命周期，都可以在一個(gè)區(qū)內(nèi)完成。堆被分成一組相等的堆區(qū)域，沒一個(gè)區(qū)域都是一個(gè)連續(xù)的虛擬內(nèi)存區(qū)域[4]。G1在對象的生命周期里面，管理著所有對象的年齡，用其來標(biāo)識該對象的生命活動，是該清除，還是保持不變或者進(jìn)入下一個(gè)生命周期。

在所有的垃圾回收階段，G1都采用標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）的算法進(jìn)行計(jì)算。標(biāo)記-清除算法，分兩部分，首先對所有可達(dá)的存活對象進(jìn)行標(biāo)記;然后就是清除，對未標(biāo)記的對象進(jìn)行垃圾清理。G1垃圾收集器大部分都是采用的并行方式進(jìn)行，只有在重新標(biāo)記和重新清除階段，是STW時(shí)間，所以這樣就大大的減少了STW時(shí)間。

在垃圾清除完后，所有的空間都是碎片化的，傳統(tǒng)的CMS是不會進(jìn)行碎片化壓縮[5]。所以，這時(shí)候G1就需要對所有碎片化的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行整理。在最后一次清楚SWT后，堆內(nèi)存的所有空間程碎片狀態(tài)。這時(shí)候G1就會將這些碎片內(nèi)存整理到一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存，當(dāng)然，G1是采用分區(qū)（Region）的思路，所以在對象的存儲空間上，并不要求是物理內(nèi)存上的連續(xù)，而可以是邏輯上的連續(xù)[6]。

三.應(yīng)用場景

可以認(rèn)識到G1具備很多優(yōu)勢，無論是并發(fā)，還是碎片整理，但是我們要知道的是G1不是實(shí)時(shí)的垃圾收集器。G1的第一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用場景為解決堆內(nèi)存較大的應(yīng)用程序，堆內(nèi)存大于6G的堆內(nèi)存應(yīng)用的可預(yù)測暫停時(shí)間為0.5秒。這樣可預(yù)測的暫停時(shí)間，能使應(yīng)用程序的運(yùn)行能更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定。

如果應(yīng)用程序當(dāng)前使用的是CMS或者ParallelOld，要切換到G1時(shí)，需要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)，將更有利：

1. 超過了一半的堆內(nèi)存占用了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

2. 對象的rate（分配率）或者promotion（使用率）的差異較大[7]

3. 垃圾收集暫停時(shí)長或者內(nèi)存壓縮時(shí)長超過0.5秒

如果具備以上特點(diǎn)的應(yīng)用程序，有利且建議能從CMS或者ParallelOld切換到G1。

四. 總結(jié)

G1對于在未來發(fā)展中，能長期替換CMS的JVM垃圾收集器，它有著更好的解決方案，一個(gè)是堆內(nèi)存壓縮，能對堆內(nèi)存進(jìn)行密集而且細(xì)粒度的自由分配;第二個(gè)是能夠預(yù)測性的知道STW的時(shí)長，這樣在主觀研發(fā)上，能更加精準(zhǔn)的銜接。

對于JVM的新型垃圾收集器，在未來發(fā)展中已經(jīng)形成了一個(gè)新型的垃圾收集器雛形——Shenandoah[8]，它具備超低延遲，無論是在500MB內(nèi)存，還是在500GB內(nèi)存中，都具備相同STW時(shí)間。這樣對于G1來說，在更大的內(nèi)存中，具備更強(qiáng)的應(yīng)用性?！皼]有最好的算法，只有適用的場景”，這才是真正的垃圾收集器最核心的算法。

參考文獻(xiàn)：

[1]周志明.《深入理解JVM虛擬機(jī)》.機(jī)械工業(yè)出版社 2011.

[2]周志明.《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級特性與最佳實(shí)踐（第二版）》 .機(jī)械工業(yè)出版社 2013.

[3]http：//www.cs.umd.edu/～pugh/java/broken.pdf

[4]Sun Microsystems.《Memory Management in the Java HotSpot?Virtual Machine》.2006

[5]https：//www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/g1-intro-jsp-135488.html

[6]https：//www.oracle.com/technetwork/java/javase/memorymanagement-whitepaper-150215.pdf

[7]https：//www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/g1-intro-jsp-135488.html

[8]http：//openjdk.java.net/jeps/189