java垃圾回收之实现并行GC算法

Parallel GC(并行GC)

并行垃圾收集器这一类组合, 在年轻代使用 标记-复制(mark-copy)算法, 在老年代使用 标记-清除-整理(mark-sweep-compact)算法。年轻代和老年代的垃圾回收都会触发STW事件,暂停所有的应用线程来执行垃圾收集。两者在执行 标记和 复制/整理阶段时都使用多个线程, 因此得名“(Parallel)”。通过并行执行, 使得GC时间大幅减少。

通过命令行参数 -XX:ParallelGCThreads=NNN 来指定 GC 线程数。 其默认值为CPU内核数。

可以通过下面的任意一组命令行参数来指定并行GC:

java -XX:+UseParallelGC com.mypackages.MyExecutableClass
java -XX:+UseParallelOldGC com.mypackages.MyExecutableClass
java -XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC com.mypackages.MyExecutableClass

并行垃圾收集器适用于多核服务器,主要目标是增加吞吐量。因为对系统资源的有效使用,能达到更高的吞吐量:

• 在GC期间, 所有 CPU 内核都在并行清理垃圾, 所以暂停时间更短
• 在两次GC周期的间隔期, 没有GC线程在运行,不会消耗任何系统资源

另一方面, 因为此GC的所有阶段都不能中断, 所以并行GC很容易出现长时间的卡顿. 如果延迟是系统的主要目标, 那么就应该选择其他垃圾收集器组合。

注: 长时间卡顿的意思是，此GC启动之后，属于一次性完成所有操作, 于是单次 pause 的时间会较长。

让我们看看并行垃圾收集器的GC日志长什么样, 从中我们可以得到哪些有用信息。下面的GC日志中显示了一次 minor GC 暂停 和一次 major GC 暂停:

1 ****-05-26T14:27:40.915-0200: 116.115: [GC (Allocation Failure)
2       [PSYoungGen: 2694440K->1305132K(2796544K)]
3    9556775K->8438926K(11185152K)
4    , 0.2406675 secs]
5    [Times: user=1.77 sys=0.01, real=0.24 secs]
6  ****-05-26T14:27:41.155-0200: 116.356: [Full GC (Ergonomics)
7       [PSYoungGen: 1305132K->0K(2796544K)]
8       [ParOldGen: 7133794K->6597672K(8388608K)] 8438926K->6597672K(11185152K),
9      [Metaspace: 6745K->6745K(1056768K)]
10    , 0.9158801 secs]
11   [Times: user=4.49 sys=0.64, real=0.92 secs]

Minor GC(小型GC)

第一次GC事件表示发生在年轻代的垃圾收集:

****-05-26T14:27:40.915-02001: 116.1152: [ GC3 (Allocation Failure4)
[PSYoungGen5: 2694440K->1305132K6 (2796544K)7] 9556775K->8438926K8
(11185152K)9, 0.2406675 secs10]
[Times: user=1.77 sys=0.01, real=0.24 secs]11

****-05-26T14:27:40.915-0200 – GC事件开始的时间. 其中-0200表示西二时区,而中国所在的东8区为 +0800。

116.115 – GC事件开始时,相对于JVM启动时的间隔时间,单位是秒。

GC – 用来区分 Minor GC 还是 Full GC 的标志。GC表明这是一次小型GC(Minor GC)

Allocation Failure – 触发垃圾收集的原因。本次GC事件, 是由于年轻代中没有适当的空间存放新的数据结构引起的。

PSYoungGen – 垃圾收集器的名称。这个名字表示的是在年轻代中使用的: 并行的 标记-复制(mark-copy), 全线暂停(STW) 垃圾收集器。

2694440K->1305132K – 在垃圾收集之前和之后的年轻代使用量。

(2796544K) – 年轻代的总大小。

9556775K->8438926K – 在垃圾收集之前和之后整个堆内存的使用量。

(11185152K) – 可用堆的总大小。

0.2406675 secs – GC事件持续的时间,以秒为单位。

[Times: user=1.77 sys=0.01, real=0.24 secs] – GC事件的持续时间, 通过三个部分来衡量:

• user – 在此次垃圾回收过程中, 由GC线程所消耗的总的CPU时间。
• sys – GC过程中中操作系统调用和系统等待事件所消耗的时间。
• real – 应用程序暂停的时间。在 Parallel GC 中, 这个数字约等于: (user time + system time)/GC线程数。 这里使用了8个线程。 请注意,总有一定比例的处理过程是不能并行进行的。

所以,可以简单地算出, 在垃圾收集之前, 堆内存总使用量为 9,556,775K。 其中年轻代为 2,694,440K。同时算出老年代使用量为 6,862,335K. 在垃圾收集之后, 年轻代使用量减少为 1,389,308K, 但总的堆内存使用量只减少了 1,117,849K。这表示有大小为 271,459K 的对象从年轻代提升到老年代。

Full GC(完全GC)

学习了并行GC如何清理年轻代之后, 下面介绍清理整个堆内存的GC日志以及如何进行分析:

****-05-26T14:27:41.155-0200 : 116.356 : [Full GC (Ergonomics)
[PSYoungGen: 1305132K->0K(2796544K)] [ParOldGen :7133794K->6597672K
(8388608K)] 8438926K->6597672K (11185152K),
[Metaspace: 6745K->6745K(1056768K)], 0.9158801 secs,
[Times: user=4.49 sys=0.64, real=0.92 secs]

****-05-26T14:27:41.155-0200 – GC事件开始的时间. 其中-0200表示西二时区,而中国所在的东8区为 +0800。

116.356 – GC事件开始时,相对于JVM启动时的间隔时间,单位是秒。 我们可以看到, 此次事件在前一次 MinorGC完成之后立刻就开始了。

Full GC – 用来表示此次是 Full GC 的标志。Full GC表明本次清理的是年轻代和老年代。

Ergonomics – 触发垃圾收集的原因。Ergonomics 表示JVM内部环境认为此时可以进行一次垃圾收集。

[PSYoungGen: 1305132K->0K(2796544K)] – 和上面的示例一样, 清理年轻代的垃圾收集器是名为 “PSYoungGen” 的STW收集器, 采用标记-复制(mark-copy)算法。 年轻代使用量从 1305132K 变为 0, 一般 Full GC 的结果都是这样。

ParOldGen – 用于清理老年代空间的垃圾收集器类型。在这里使用的是名为 ParOldGen 的垃圾收集器, 这是一款并行 STW垃圾收集器, 算法为 标记-清除-整理(mark-sweep-compact)。

7133794K->6597672K – 在垃圾收集之前和之后老年代内存的使用情况。

(8388608K) – 老年代的总空间大小。

8438926K->6597672K – 在垃圾收集之前和之后堆内存的使用情况。

(11185152K) – 可用堆内存的总容量。

[Metaspace: 6745K->6745K(1056768K)] – 类似的信息,关于 Metaspace 空间的。可以看出, 在GC事件中 Metaspace 里面没有回收任何对象。

0.9158801 secs – GC事件持续的时间,以秒为单位。

[Times: user=4.49 sys=0.64, real=0.92 secs] – GC事件的持续时间, 通过三个部分来衡量:

• user – 在此次垃圾回收过程中, 由GC线程所消耗的总的CPU时间。
• sys – GC过程中中操作系统调用和系统等待事件所消耗的时间。
• real – 应用程序暂停的时间。在 Parallel GC 中, 这个数字约等于: (user time + system time)/GC线程数。 这里使用了8个线程。 请注意,总有一定比例的处理过程是不能并行进行的。

同样,和 Minor GC 的区别是很明显的 —— 在此次GC事件中, 除了年轻代, 还清理了老年代和 Metaspace. 在GC事件前后的内存布局如下图所示:

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原文链接：https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-algorithms-implementations#parallel-gc