JVM - 垃圾回收方式性能研究

本文从几种 JVM 垃圾回收方式及原理出发，研究了在基准测试中不同垃圾回收方式对于 JVM 性能的影响，并 通过最终测试数据对比，给出了不同应用场景下如何选择垃圾回收策略的方法

垃圾回收（Garbage Collection, GC）是 Java 虚拟机（JVM）中 使用的一种内存管理方案，它能够不断自动释放内存中的不再被使 用的对象，并按照特定的垃圾回收算法实现对于内存资源的管理。 相较于 C/C++ 手动内存管理方式，GC 的出现大大减少了开发人 员在内存资源管理方面的工作，是 JVM 的核心组成部分，并且对 JVM 的性能有着重要的影响。

随着技术及硬件的发展，新的垃圾回收方式也在随着 JDK 版 本的更新而被加入，如在 JDK1.7 中正式引入了 G1 回收器，JDK 11 中引入了 Z 回收器等。面对如此多的垃圾回收器，如何在不同 实际应用场景下中选择最适合的是进行 JVM 性能优化的首要问题， 解决这一问题则必须先了解不同垃圾回收方式的性能表现。以往也 有相关方面的研究，但性能测试或基于 SPEC JVM2008 又或是基 于 SPEC jbb2000 等一些现已不再提供支持的测试工具，已不能 适应当前时代的需求，而通过一种权威且最新的基准测试工具分析 不同垃圾回收器的性能表现是十分有意义的。

SPEC jbb（Java Business Benchmark）基准测试是标准性能评 估组织 SPEC 发布的一项用于衡量服务器 Java 应用性能的测试基 准。从 2000 年 6 月 SPEC 组织发布第一版服务器 Java 性能测试基 准 SPEC jbb2000 至今，历经了 SPEC jbb2005（2006.1-2013.10）、 SPEC jbb2013（2013.1-2014.12）多个版本的更新后，SPEC jbb2015

（2015.9- 至今）基于最新的 Java 应用程序特性开发，支持虚拟化和云环境。现在 SPEC jbb 测试已经发展成为 JVM 厂商、Java 开发 者，研究学者，以及相关学术机构评估 Java 业务应用性能及可扩 展性的一项权威基准测试标准 。

本文将首先从垃圾回收原理出发，分别介绍几种垃圾回收器， 然后对这几种垃圾回收器在基准测试中的性能表现进行分析。

•  图 1：几种垃圾回收器 SPEC jbb2015 测试结果

• 图 2：几种垃圾回收器平均停顿时间比较

1 垃圾回收算法

Java 自动化的管理内存资源必须通过垃圾回收算法来确定哪些 是有效的对象，哪些是无效的对象，对于无效的对象就要进行垃圾 回收处理。作为垃圾回收器的实现基础，下面先介绍常见的垃圾回 收算法。

1.1 标记清除法

在垃圾回收算法中，根是指向对象的指针的起点部分。通过根 对象进行引用搜索，最终可达的对象被称为可达对象；通过根对象 进行引用搜索，最终没有被引用的对象被称为不可达对象。在标记阶段，首先通从根节点开始标记所有的可达对象，不可达对象则为 垃圾对象。在清除阶段，清除所有未被标记的对象。由于清除时不 考虑内存空间的连续性，因此标记清除法最大的问题是产生内存空 间碎片。特别是在进行大对象内存分配时，相较于连续内存空间， 内存碎片的存在会降低堆内存效率。

1.2 复制算法

复制算法将内存空间划分为相等的两部分，且每次只会只使用其中的一部分，当垃圾回收时，首先将使用中那部分内存里存活的 对象复制到另一部分内存区，接着清除使用的内存块中的所有对象， 最后将两个内存区进行互换，从而完成垃圾回收。复制算法在复制 的过程中能够有效避免内存空间碎片的产生，但代价是系统内存空 间损失一半。

1.3 标记压缩法

标记压缩法是一种针对老年代的垃圾回收算法。对于老年代， 由于大部分对象都是存活对象，使用复制算法代价将使内存折半， 成本太高并不适用。标记压缩法正是为了应对这种情况而产生，首 先从根节点开始，对所有可达对象进行标记，然后将所有存活的对 象压缩到内存一端，再清理剩余的所有的空间。这种方法既避免了 碎片的产生，又不需要将内存分为两半，效率很高。

1.4 分区算法

分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间，每一小区间 都独立使用，独立回收，并可以控制一次回收的小区间数量。一般 来说，在相同条件下，堆空间越大，进行一次垃圾回收的所需的时 间就越长，导致产生的停顿时间也越长。因此如果将堆内存分割成 多个小块，并根据目标停顿时间的要求，每次合理地控制回收部分 小区间，而不是回收整个堆空间，则可以有效减小一次垃圾回收所 产生的的停顿时间。

2 几种垃圾回收器

垃圾收集算法可以看作 Java 虚拟机内存回收的抽象策略，而 垃圾收集器则是其内存回收的具体实现。Java 虚拟机中，垃圾回收 器不只一种，在不同的应用场景下如何选择性能最佳的垃圾回收器 是需要有清楚认识的，下面介绍几种常见的垃圾回收器。

2.1 串行回收器

串行回收器是一种单线程垃圾回收器，在进行每次垃圾回收时， 只有一个线程工作，Java 应用程序中的其他所有线程暂停，等待垃 圾回收完成（“Stop-The-World”过程）。在实时性要求高的应用 场景下，往往会造成用户体验不佳。串行回收器在新生代中使用复 制算法，老年代中使用标记压缩法。

2.2 并行回收器

并行回收器在串行回收器的基础上做了改进，它使用多个线程 同时进行垃圾回收，可以有效减少垃圾回收所需的时间。新生代中 使用复制算法，老年代使用标记压缩算法。并行回收器关注系统的 吞吐量，可以通过 -XX:MaxGCPauseMills 和 -XX:GCTimeRatio 控 制的垃圾回收最大停顿时间和吞吐量。但须指出的是，减少一次收 集的最大停顿时间，就会同时减少系统吞吐量，增大系统吞吐量又 可能会同时增加一次垃圾回收的最大停顿时间。

2.3 CMS回收器

CMS 回收器使用标记清除算法，利用多线程并行回收，主要 侧重于系统停顿时间。CMS 工作时首先经过初始标记与并发标记来标记出需要回收的对象、通过预清理做清理前的准备及控制停顿 时间、再经过重新标记修正并发标记的数据、最后进行并发清除， 以及并发重置为下次回收做准备。

2.4 G1回收器

G1 回收器可以视为 CMS 回收器的替代品，它使用了独特的分 区算法，相比于之前介绍的垃圾回收器将堆内存划分为固定内存大 小的年轻代、老代和永久代（JDK1.8 后被元空间取代），G1 回收 器将堆分割成一组大小相等的区域，每个区域是一个连续的虚拟内 存范围，某些区域被功能与年轻代老年代相同，但是它们没有固定 的大小，这为内存使用提供了更大的灵活性。在进行垃圾回收时， G1 回收器可以只选择部分区域，且部分垃圾回收工作能与 Java 应 用程序并行，提高回收效率的同时相应降低停顿时间。G1 回收器 虽然也使用标记清除法，但与 CMS 不同的是 G1 可以有效复制移 动对象，消除了潜在的内存碎片问题。此外，G1 还允许用户自行 设定所需的暂停时间。

2.5 Z回收器

ZGC 是从 JDK11 中引入的一种新的支持弹性伸缩的低延迟垃 圾收集器，主要实现了三大目标：停顿时间不超过 10ms、停顿时 间不随堆或实时设置的大小而增加、支持从 8MB 到 16TB 的堆内存。 ZGC 的一个核心设计原则是使用读屏障（load barrier）和着色指针（colored pointer）。在 Java 中加载对象的行为会受到读屏障的影响， 而着色指针具有供读屏障使用的信息，它使 ZGC 能够查找、标记、 定位和重新映射对象，这有助于降低垃圾回收的开销并极大降低停 顿时间，且对吞吐量影响最大不超过 15%。作为一个并发的垃圾 收集器，ZGC 所有的工作都是在 Java 应用程序线程执行时完成的， 这极大地减少了垃圾回收对应用程序响应时间的影响。而且 Z 回收 器现在还处于持续开发阶段，后续的开发目标是达到垃圾回收停顿 时间不超过 1ms。

3 垃圾回收器性能比较

SPEC jbb2015 测试模拟了一个典型的商业应用的三层架构环境 中的中间层工作，包含商业逻辑、对象操作等，目的是衡量服务器 Java 应用之性能。模型建立在一个全球型连锁超市的 IT 基础架构 之上，通过线上线下购物、库存管理、供应链管理、用户购买行为 的数据挖掘等业务来评估整个系统的吞吐量及响应时间随着整个系 统业务量不断增加时的性能表现。SPECjbb2015 支持多种测试运 行配置、支持虚拟化以及云环境，使用户能够全面分析和解决可能 存在于包括硬件、操作系统、JVM 和应用程序层的性能瓶颈问题。 SPEC jbb2015 测试结果包含主要包含两个侧式指标 Max-jOPS 和 Critical-jOPS。最大性能指标 Max-jOPS 是系统最大每秒钟处 理的 Java 操作数，可以看做在业务响应不失败的情况下，服务器 的极限吞吐量， 反映的是系统极限 Java 应用性能。 关键性能指 标 Critical-jOPS 是系统在 5 个关键 SLA（服务水平协议）10ms， 25ms，50ms，75ms 和 100ms 响应时间下平均每秒 Java 操作数。

选择这些点是为了保证不同行业使用的响应时间目标的合理分布， 可以看做衡量的是在响应时间有限的情况下的系统吞吐量。

测试环境选择使用四路服务器，配置 4 颗 Intel Xeon Platinum 8180 CPU，物理内存大小为 1536G，操作系统为 Red Hat Enterprise Linux 7.6，使用 JDK 版本为 Oracle Java SE 13.0.2，在此环境下分 别使用 -XX:+UseSerialGC（串行回收器）、-XX:+UseParallelOldGC（并 行回收 器 ）、-XX:+ UseConcMarkSweepGC（CMS 回收 器 ）、- XX:+UseG1GC（G1 回收 器 ）、-XX:+UseZGC（ZGC），运行 SPEC jbb2015 测 试，并使用参数 -XX:+PrintGCDetails、-Xlog:gc. log 输出垃圾回收详细日志。

图 1 反映了几种垃圾回收器在 SPEC jbb2015 基准测试中的 性能表现，可以看出在极限性能指标 Max-jOPS 上，并行回收器 ParallelOldGC 表现最好，这是由于 Max-jOPS 代表系统极限吞吐量 而并行回收器在所有垃圾回收器中最侧重于吞吐量，因此这一指标 明显优于其他垃圾回收器。而在关键性能指标上，ZGC 的表现最 好，证明在一些有特定响应时间要求的业务场景下，其综合性能最 好。ZGC 由于低停顿时间的特性，每次垃圾回收停顿时间不会超 过 10ms，这要远远低于其他垃圾回收方式（见图 2）。一般来说， 停顿时间的减少但带来的影响必然是吞吐量的降低，ZGC 垃圾回 收处理工作都在与应用线程并发执行，同时也会不可避免地占用很 多 CPU 并发工作导致吞吐量降低。但如果同时考虑低响应时间与 吞吐量情况下，ZGC 吞吐量降低的程度在可接受的范围之内，但 同时其停顿时间减少了一个量级，因此其综合性能表现更好。

图 2 展示了几种垃圾回收方式的平均停顿时间。其中 ZGC 的停顿时间最短，看到 ZGC 虽然目标定位在停顿时 间不超过 10ms，但在实际测试时 ZGC 平均停顿时间约为 2ms，要 远远低于 10 毫秒的目标。串行回收器的停顿时间最长，几乎达到 秒级，这是由于串行回收器回收时只有单线程，因此停顿的时间要 远远高于其他垃圾回收器，因此在实际业务模型中性能很差。而并 行回收器、G1 回收器平均停顿时间相差不大，都在 100ms 上下， CMS 回收器则平均在 200ms 左右。

4 结语

本文简述了几种常用的 JVM 垃圾回收方式及其原理，并利用 业内权威的 Java 应用性能测试工具 SPEC jbb2015 测试了几种垃 圾回收方式的实际性能。因为 SPEC jbb2015 测试模型则具有广泛 的代表性，所以对基于此项测试对垃圾回收的研究有助于开发者 在实际应用中合理地对性能进行调优并解决性能问题。根据 SPEC jbb2015 测试结果来看，当侧重于追求最大吞吐量，如基于 Java 的后台计算型应用、事务处理时，并行垃圾回收器 ParallelOldGC 表现更好。如追求低停顿时间，快速响应如互联网应 用、web 前端等时 ZGC 优势明 显，或者也可以使用 G1 垃圾回收器配 合 -XX:MaxGCPauseMillis 参数来限制最大垃圾回收停顿时间。且 ZGC 所支持的超大内存也非常适合需要大量内存的应用程序，比如大数据应用程序。但由于实际业务性能考量标准不同，还需结合 每种垃圾回收方式自身特点，合理进行选择。