摘要：是目前的實驗收集器。也是需要暫停程序一切的工作，然后多線程執行垃圾回收。與最大的不同，它關注的是垃圾回收的吞吐量。這里的吞吐量指的是總時間與垃圾回收時間的比例。篩選回收，評估標記垃圾，根據模式回收垃圾。

《對象搜索算法與回收算法》介紹了垃圾回收的基礎算法，相當于垃圾回收的方法論。接下來就詳細看看垃圾回收的具體實現。

上文提到過現代的商用虛擬機的都是采用分代收集的，不同的區域用不同的收集器。常用的7種收集器，其適用的范圍如圖所示

Serial、ParNew、Parallel Scavenge用于新生代；
CMS、Serial Old、Paralled Old用于老年代。
并且他們相互之間以相對固定的組合使用（具體組合關系如上圖）。G1是一個獨立的收集器不依賴其他6種收集器。ZGC是目前JDK 11的實驗收集器。

下面來看看各個收集器的特性

Serial，是單線程執行垃圾回收的。當需要執行垃圾回收時，程序會暫停一切手上的工作，然后單線程執行垃圾回收。

因為新生代的特點是對象存活率低，所以收集算法用的是復制算法，把新生代存活對象復制到老年代，復制的內容不多，性能較好。

單線程地好處就是減少上下文切換，減少系統資源的開銷。但這種方式的缺點也很明顯，在GC的過程中，會暫停程序的執行。若GC不是頻繁發生，這或許是一個不錯的選擇，否則將會影響程序的執行性能。
對于新生代來說，區域比較小，停頓時間短，所以比較使用。

ParNew同樣用于新生代，是Serial的多線程版本，并且在參數、算法（同樣是復制算法）上也完全和Serial相同。

Par是Parallel的縮寫，但它的并行僅僅指的是收集多線程并行，并不是收集和原程序可以并行進行。ParNew也是需要暫停程序一切的工作，然后多線程執行垃圾回收。

因為是多線程執行，所以在多CPU下，ParNew效果通常會比Serial好。但如果是單CPU則會因為線程的切換，性能反而更差。

新生代的收集器，同樣用的是復制算法，也是并行多線程收集。與ParNew最大的不同，它關注的是垃圾回收的吞吐量。

這里的吞吐量指的是 總時間與垃圾回收時間的比例。這個比例越高，證明垃圾回收占整個程序運行的比例越小。

Parallel Scavenge收集器提供兩個參數控制垃圾回收的執行：

-XX:MaxGCPauseMillis，最大垃圾回收停頓時間。這個參數的原理是空間換時間，收集器會控制新生代的區域大小，從而盡可能保證回收少于這個最大停頓時間。簡單的說就是回收的區域越小，那么耗費的時間也越小。

所以這個參數并不是設置得越小越好。設太小的話，新生代空間會太小，從而更頻繁的觸發GC。

-XX:GCTimeRatio，垃圾回收時間與總時間占比。這個是吞吐量的倒數，原理和MaxGCPauseMillis相同。

因為Parallel Scavenge收集器關注的是吞吐量，所以當設置好以上參數的時候，同時不想設置各個區域大?。ㄐ律夏甏龋??？梢蚤_啟-XX:UseAdaptiveSizePolicy參數，讓JVM監控收集的性能，動態調整這些區域大小參數。

老年代的收集器，與Serial一樣是單線程，不同的是算法用的是標記-整理（Mark-Compact）。

因為老年代里面對象的存活率高，如果依舊是用復制算法，需要復制的內容較多，性能較差。并且在極端情況下，當存活為100%時，沒有辦法用復制算法。所以需要用Mark-Compact，以有效地避免這些問題。

老年代的收集器，是Parallel Scavenge老年代的版本。其中的算法替換成Mark-Compact。

CMS，Concurrent Mark Sweep，同樣是老年代的收集器。它關注的是垃圾回收最短的停頓時間（低停頓），在老年代并不頻繁GC的場景下，是比較適用的。

命名中用的是concurrent，而不是parallel，說明這個收集器是有與工作執行并發的能力的。MS則說明算法用的是Mark Sweep算法。

來看看具體地工作原理。CMS整個過程比之前的收集器要復雜，整個過程分為四步：

初始標記（initial mark），單線程執行，需要“Stop The World”，但僅僅把GC Roots的直接關聯可達的對象給標記一下，由于直接關聯對象比較小，所以這里的速度非常快。

并發標記（concurrent mark），對于初始標記過程所標記的初始標記對象，進行并發追蹤標記，此時其他線程仍可以繼續工作。此處時間較長，但不停頓。

重新標記（remark），在并發標記的過程中，由于可能還會產生新的垃圾，所以此時需要重新標記新產生的垃圾。此處執行并行標記，與用戶線程不并發，所以依然是“Stop The World”，時間比初始時間要長一點。

并發清除（concurrent sweep），并發清除之前所標記的垃圾。其他用戶線程仍可以工作，不需要停頓。

由于最耗費時間的并發標記與并發清除階段都不需要暫停工作，所以整體的回收是低停頓的。

由于CMS以上特性，缺點也是比較明顯的，

Mark Sweep算法會導致內存碎片比較多

CMS的并發能力依賴于CPU資源，所以在CPU數少和CPU資源緊張的情況下，性能較差

并發清除階段，用戶線程依然在運行，所以依然會產生新的垃圾，此階段的垃圾并不會再本次GC中回收，而放到下次。所以GC不能等待內存耗盡的時候才進行GC，這樣的話會導致并發清除的時候，用戶線程可以了利用的空間不足。所以這里會浪費一些內存空間給用戶線程預留。

有人會覺得既然Mark Sweep會造成內存碎片，那么為什么不把算法換成Mark Compact呢？

答案其實很簡答，因為當并發清除的時候，用Compact整理內存的話，原來的用戶線程使用的內存還怎么用呢？要保證用戶線程能繼續執行，前提的它運行的資源不受影響嘛。Mark Compact更適合“Stop the World”這種場景下使用。

G1，Garbage First，在JDK 1.7版本正式啟用，是當時最前沿的垃圾收集器。G1可以說是CMS的終極改進版，解決了CMS內存碎片、更多的內存空間登問題。雖然流程與CMS比較相似，但底層的原理已是完全不同。

高效益優先。G1會預測垃圾回收的停頓時間，原理是計算老年代對象的效益率，優先回收最大效益的對象。

堆內存結構的不同。以前的收集器分代是劃分新生代、老年代、持久代等。

G1則是把內存分為多個大小相同的區域Region，每個Region擁有各自的分代屬性，但這些分代不需要連續。

這樣的分區可以有效避免內存碎片化問題。

但是這樣同樣會引申一個新的問題，就是分代的內存不連續，導致在GC搜索垃圾對象的時候需要全盤掃描找出引用內存所在。

為了解決這個問題，G1對于每個Region都維護一個Remembered Set，用于記錄對象引用的情況。當GC發生的時候根據Remembered Set的引用情況去搜索。

兩種GC模式：

Young GC，關注于所有年輕代的Region，通過控制收集年輕代的Region個數，從而控制GC的回收時間。

Mixed GC，關注于所有年輕代的Region，并且加上通過預測計算最大收益的若干個老年代Region。

整體的執行流程：

初始標記（initial mark），標記了從GC Root開始直接關聯可達的對象。STW（Stop the World）執行。

并發標記（concurrent marking），并發標記初始標記的對象，此時用戶線程依然可以執行。

最終標記（Remark），STW，標記再并發標記過程中產生的垃圾。

篩選回收（Live Data Counting And Evacuation），評估標記垃圾，根據GC模式回收垃圾。STW執行。

在Region層面上，整體的算法偏向于Mark-Compact。因為是Compact，會影響用戶線程執行，所以回收階段需要STW執行。

在JDK 11當中，加入了實驗性質的ZGC。它的回收耗時平均不到2毫秒。它是一款低停頓高并發的收集器。

ZGC幾乎在所有地方并發執行的，除了初始標記的是STW的。所以停頓時間幾乎就耗費在初始標記上，這部分的實際是非常少的。那么其他階段是怎么做到可以并發執行的呢？

ZGC主要新增了兩項技術，一個是著色指針Colored Pointer，另一個是讀屏障Load Barrier。

著色指針Colored Pointer
ZGC利用指針的64位中的幾位表示Finalizable、Remapped、Marked1、Marked0（ZGC僅支持64位平臺），以標記該指向內存的存儲狀態。相當于在對象的指針上標注了對象的信息。注意，這里的指針相當于Java術語當中的引用。

在這個被指向的內存發生變化的時候（內存在Compact被移動時），顏色就會發生變化。

在G1的時候就說到過，Compact階段是需要STW，否則會影響用戶線程執行。那么怎么解決這個問題呢？

讀屏障Load Barrier
由于著色指針的存在，在程序運行時訪問對象的時候，可以輕易知道對象在內存的存儲狀態（通過指針訪問對象），若請求讀的內存在被著色了。那么則會觸發讀屏障。讀屏障會更新指針再返回結果，此過程有一定的耗費，從而達到與用戶線程并發的效果。

把這兩項技術聯合下理解，引用R大（RednaxelaFX）的話

與標記對象的傳統算法相比，ZGC在指針上做標記，在訪問指針時加入Load Barrier（讀屏障），比如當對象正被GC移動，指針上的顏色就會不對，這個屏障就會先把指針更新為有效地址再返回，也就是，永遠只有單個對象讀取時有概率被減速，而不存在為了保持應用與GC一致而粗暴整體的Stop The World。

ZGC雖然目前還在JDK 11還在實驗階段，但由于算法與思想是一個非常大的提升，相信在未來不久會成為主流的GC收集器使用。

更多技術文章、精彩干貨，請關注
博客：zackku.com
微信公眾號：Zack說碼