Java
by Nikita Salnikov-Tarnovski

JVM 垃圾回收 Minor gc vs Major gc vs Full gc

原文: Minor GC vs Major GC vs Full GC

在Plumbr进行GC暂停检测功能的工作时， 我不得不阅读大量与此相关的文章，书籍和报告。在研究过程中, 对于Minor, Major和Full GC时间我一再的困惑，这也就导致本博文的产生， 希望我能理清我的一些困惑。
本文期望读者熟悉JVM内建的垃圾回收的基本原理。JVM的内存堆对 Eden, Survivor 和 Tenured/Old区划分, 代假设和不同的GC算法不在本文的讨论之列。


Minor GC

在年轻代Young space(包括Eden区和Survivor区)中的垃圾回收称之为 Minor GC. 这个定义既清晰又无异议。 但仍有一些有趣的关于Minor GC事件的东西你需要了解：

  1. Minor GC总是在不能为新的对象分配空间的时候触发, 例如 Eden区满了，分配空间的越快，Minor GC越频繁。
  2. 当内存池慢了后, 它的完整的内容会被复制出去，指针可以从0开始重新跟踪空闲内存。所以取代传统的标记-交换-压缩（Mark, Sweep , Compact）, Eden区和Survivor区使用标记-复制方式（Mark , Copy）. 因此在Eden区和Survivor区无内存碎片。写指针总是指向内存池的顶部。
  3. 在Minor GC时, 年老代（Tenured generation）可以被忽略. 年老代对年轻代的引用被认为是实际的GC根root。 在标记阶段年轻代对年老代的引用可以被简单的忽略。
  4. 出于常理, 所有的Minor GC都会触发stop-the-world暂停, 它意味着会暂停应用的所有线程. 对于大部分应用而言，暂停的延迟可以忽略不计。这是因为Eden中大部分的对象都可以垃圾回收掉，而不会被复制到Survivor/Old区。但如果相反，大部分的新对象不能被回收， Minor GC暂停会占用更多的时间。

综上所述，Minor GC概念相当清晰 – 每次Minor GC只会清理年轻代.

Major GC vs Full GC

有人可能会注意到没有关于Major GC和Full GC正式的定义， 即使在JVM规范和垃圾回收论文中也没有。但是轻轻一瞥，从我们对Minor GC定义上来看， 它们的定义也应该很简单:

  • Major GC 清理年老区（Tenured space）.
  • Full GC 清理整个内存堆 – 既包括年轻代也包括年老代.

不幸的是， 它有点复杂和令人不解. 首先来说，很多Major GC都是由Minor GC触发的,所以很多情况下将这两个概念分开是不可能的，另一方面，很多现代的垃圾回收会部分的执行年老代（Tenured space）清理，所以使用清理这个词也只能部分的正确。

这会引导我们了解到这一点： 与其担心GC被称作 Major 还是 Full GC, 你更应该关心GC是否会暂停程序的所有线程，还是和应用程序并行的处理.

这种困惑甚至内置于JVM的标准工具中. 最好通过例子来说明. 让我们比较一下两个GC跟踪工具的输出,此时JVM使用Concurrent Mark and Sweep collector (-XX:+UseConcMarkSweepGC)

首先看一下jstat 的输出:

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my-precious: me$ jstat -gc -t 4235 1s
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Time S0C     S1C     S0U    S1U     EC       EU       OC          OU        MC      MU      CCSC   CCSU        YGC  YGCT    FGC    FGCT     GCT   
 5.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 194699.7 1756416.0   181419.9  18304.0 17865.1 2688.0 2497.6      3    0.275   0      0.000    0.275
 6.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 247555.4 1756416.0   263447.9  18816.0 18123.3 2688.0 2523.1      4    0.359   0      0.000    0.359
 7.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 257729.3 1756416.0   345109.8  19072.0 18396.6 2688.0 2550.3      5    0.451   0      0.000    0.451
 8.7 34048.0 34048.0 34048.0 34048.0 272640.0 272640.0 1756416.0  444982.5  19456.0 18681.3 2816.0 2575.8      7    0.550   0      0.000    0.550
 9.7 34048.0 34048.0 34046.7  0.0   272640.0 16777.0  1756416.0   587906.3  20096.0 19235.1 2944.0 2631.8      8    0.720   0      0.000    0.720
10.7 34048.0 34048.0  0.0   34046.2 272640.0 80171.6  1756416.0   664913.4  20352.0 19495.9 2944.0 2657.4      9    0.810   0      0.000    0.810
11.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 129480.8 1756416.0   745100.2  20608.0 19704.5 2944.0 2678.4     10    0.896   0      0.000    0.896
12.7 34048.0 34048.0  0.0   34046.6 272640.0 164070.7 1756416.0   822073.7  20992.0 19937.1 3072.0 2702.8     11    0.978   0      0.000    0.978
13.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 211949.9 1756416.0   897364.4  21248.0 20179.6 3072.0 2728.1     12    1.087   1      0.004    1.091
14.7 34048.0 34048.0  0.0   34047.1 272640.0 245801.5 1756416.0   597362.6  21504.0 20390.6 3072.0 2750.3     13    1.183   2      0.050    1.233
15.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 21474.1  1756416.0   757347.0  22012.0 20792.0 3200.0 2791.0     15    1.336   2      0.050    1.386
16.7 34048.0 34048.0 34047.0  0.0   272640.0 48378.0  1756416.0   838594.4  22268.0 21003.5 3200.0 2813.2     16    1.433   2      0.050    1.484

这个片段摘自JVM启动的前17秒。基于这些信息我们可以得出结论， 经过12次Minor GC后运行了两次Full GC，总共花费50ms （译者按：查看YGC和FGC数）. 通过GUI工具你也应该能得到相同的信息，比如 jconsole 或 jvisualvm.

在得出我们的结论之前，让我们看一下同样的JVM启动时垃圾回收日志的输出，显然-XX:+PrintGCDetails可以告诉我们垃圾回收器工作的细节:

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java -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseConcMarkSweepGC eu.plumbr.demo.GarbageProducer
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3.157: [GC (Allocation Failure) 3.157: [ParNew: 272640K->34048K(306688K), 0.0844702 secs] 272640K->69574K(2063104K), 0.0845560 secs] [Times: user=0.23 sys=0.03, real=0.09 secs] 
4.092: [GC (Allocation Failure) 4.092: [ParNew: 306688K->34048K(306688K), 0.1013723 secs] 342214K->136584K(2063104K), 0.1014307 secs] [Times: user=0.25 sys=0.05, real=0.10 secs] 
... cut for brevity ...
11.292: [GC (Allocation Failure) 11.292: [ParNew: 306686K->34048K(306688K), 0.0857219 secs] 971599K->779148K(2063104K), 0.0857875 secs] [Times: user=0.26 sys=0.04, real=0.09 secs] 
12.140: [GC (Allocation Failure) 12.140: [ParNew: 306688K->34046K(306688K), 0.0821774 secs] 1051788K->856120K(2063104K), 0.0822400 secs] [Times: user=0.25 sys=0.03, real=0.08 secs] 
12.989: [GC (Allocation Failure) 12.989: [ParNew: 306686K->34048K(306688K), 0.1086667 secs] 1128760K->931412K(2063104K), 0.1087416 secs] [Times: user=0.24 sys=0.04, real=0.11 secs] 
13.098: [GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 897364K(1756416K)] 936667K(2063104K), 0.0041705 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 
13.102: [CMS-concurrent-mark-start]
13.341: [CMS-concurrent-mark: 0.238/0.238 secs] [Times: user=0.36 sys=0.01, real=0.24 secs] 
13.341: [CMS-concurrent-preclean-start]
13.350: [CMS-concurrent-preclean: 0.009/0.009 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 
13.350: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
13.878: [GC (Allocation Failure) 13.878: [ParNew: 306688K->34047K(306688K), 0.0960456 secs] 1204052K->1010638K(2063104K), 0.0961542 secs] [Times: user=0.29 sys=0.04, real=0.09 secs] 
14.366: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.917/1.016 secs] [Times: user=2.22 sys=0.07, real=1.01 secs] 
14.366: [GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 182593 K (306688 K)]14.366: [Rescan (parallel) , 0.0291598 secs]14.395: [weak refs processing, 0.0000232 secs]14.395: [class unloading, 0.0117661 secs]14.407: [scrub symbol table, 0.0015323 secs]14.409: [scrub string table, 0.0003221 secs][1 CMS-remark: 976591K(1756416K)] 1159184K(2063104K), 0.0462010 secs] [Times: user=0.14 sys=0.00, real=0.05 secs] 
14.412: [CMS-concurrent-sweep-start]
14.633: [CMS-concurrent-sweep: 0.221/0.221 secs] [Times: user=0.37 sys=0.00, real=0.22 secs] 
14.633: [CMS-concurrent-reset-start]
14.636: [CMS-concurrent-reset: 0.002/0.002 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

从上面的日志我们可以看到经过12次 Minor GC后一些“不同的东西”发生了。 不是两次Full GC， 而是单一的在年老代（Tenured generation）的GC, 包括两个阶段:

  • 初始标记Mark阶段, 大概花费0.0041705秒，约等于4毫秒. 这个阶段是stop-the-world事件，会暂停所有应用的线程以便标记.
  • 并发执行Markup 和 Preclean阶段. 它和应用程序的线程并发执行
  • 最终Remark阶段, 花费0.0462010秒，大约46毫秒. 这个阶段还是stop-the-world 事件.
  • 并发执行Sweep操作. 就像名字一样，这个阶段并发执行，不会暂停应用的线程.

就像我们从gc log中看到的，不是两次Full GC操作，只有一次Major GC用来清理年老区。

如果你遇到延迟的问题，然后基于jstat的结果做出决定， 这没问题。它正确的列出了两次stop-the-world事件的总耗时：50毫秒，它会导致所有的应用线程的延迟。但是如果你想优化吞吐率，你可能被误导了– 它只列出了导致stop-the-world的初始mark和最终remark阶段，jstat输出结果完全隐藏了Major GC并发工作。

结论

考虑到上面的情况，最好不要考虑Minor,Major和Full GC的术语， 相反，监控你的程序的延迟和吞吐率，以及和GC事件的关联。检查这些事件是否强制暂停应用程序的线程，或者事件是并发的执行。

本文是我们的垃圾回收手册的一个例子章节。完整的手册大概在2015年三月发布 （译者按：目前还未找到，应该还未发布）。