Java12新特性 -- Shenandoah GC

Shenandoah 垃圾回收器是 Red Hat 在 2014 年宣布進行的一項垃圾收集器研究項目 Pauseless GC 的實現，旨在針對 JVM 上的內存收回實現低停頓的需求。該設計將與應用程序線程並發，通過交換 CPU 並發周期和空間以改善停頓時間，使得垃圾回收器執行線程能夠在 Java 線程運行時進行堆壓縮，並且標記和整理能夠同時進行，因此避免了在大多數 JVM 垃圾收集器中所遇到的問題。

Shenandoah GC 主要目標是 99.9% 的暫停小於 10ms，暫停與堆大小無關等。

垃圾回收期的分類：

• 按線程數分，可以分為串行垃圾回收器和並行垃圾回收器。
  • 串行回收指的是在同一時間段內只允許一件事情發生，簡單來說，當多個CPU 可用時，也只能有一個CPU
    用於執行垃圾回收操作，井且在執行垃圾回收時，程序中的工作線程將會被暫停，當垃圾收集工作完成后
    才會恢復之前被暫停的工作線程，這就是串行回收。
  • 和串行回收相反，並行收集可以運用多個CPU 同時執行垃圾回收，因此提升了應用的吞吐量，不過並行回
    收仍然與串行回收一樣，采用獨占式，使用了“ Stop-the-world ”機制和復制算法。
• 按照工作模式分，可以分為並發式回收器和獨占式垃圾回收器。
  • 並發式垃圾回收器與應用程序線程交替工作，以盡可能減少應用程序的停頓時間。
  • 獨占式垃圾回收器（ Stop the world)一旦運行，就停止應用程序中的其他所有線程，直到垃圾回收過程完
    全結束。
• 按碎片處理方式可分為壓縮式垃圾回收器和非壓縮式垃圾回收器。
  • 壓縮式垃圾回收器會在回收完成后，對存活對象進行壓縮整理，消除回收后的碎片。
  • 非壓縮式的垃圾回收器不進行這步操作。
• 按工作的內存區間，又可分為年輕代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

如何評估一款GC的性能

• 吞吐量：程序的運行時間（程序的運行時間＋內存回收的時間）。
• 垃圾收集開銷：吞吐量的補數，垃圾收集器所占時間與總時間的比例。
• 暫停時間：執行垃圾收集時，程序的工作線程被暫停的時間。
• 收集頻率：相對於應用程序的執行，收集操作發生的頻率。
• 堆空間： Java 堆區所占的內存大小。
• 快速： 一個對象從誕生到被回收所經歷的時間。

Shenandoah GC工作原理：

其內存結構與 G1 非常相似，都是將內存划分為類似棋盤的region。整體流程與 G1 也是比較相似的，最大的區別在於實現了並發的 疏散(Evacuation) 環節，引入的 BrooksForwarding Pointer 技術使得 GC 在移動對象時，對象引用仍然可以訪問。

Init Mark 啟動並發標記階段：

1. 並發標記遍歷堆階段
2. 並發標記完成階段
3. 並發整理回收無活動區域階段
4. 並發 Evacuation 整理內存區域階段
5. Init Update Refs 更新引用初始化 階段
6. 並發更新引用階段
7. Final Update Refs 完成引用更新階段
8. 並發回收無引用區域階段

配置或調試 Shenandoah 的 JVM 參數:

1. -XX:+AlwaysPreTouch：使用所有可用的內存分頁，減少系統運行停頓，為避免運行時性能損失。
2. -Xmx == -Xmsv：設置初始堆大小與最大值一致，可以減輕伸縮堆大小帶來的壓力，與 AlwaysPreTouch 參數配合使用，在啟動時提交所有內存，避免在最終使用中出現系統停頓。
3. -XX:+ UseTransparentHugePages：能夠大大提高大堆的性能，同時建議在 Linux 上使用時將
   /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled 和/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defragv 設置為：madvise，同時與 AlwaysPreTouch 一起使用時，init 和 shutdownv 速度會更快，因為它將使用更大的頁面進行預處理。
4. -XX:+UseNUMA：雖然 Shenandoah 尚未明確支持 NUMA（Non-Uniform Memory Access），但最好啟用此功
   能以在多插槽主機上啟用 NUMA 交錯。與 AlwaysPreTouch 相結合，它提供了比默認配置更好的性能。
5. -XX:+DisableExplicitGC：忽略代碼中的 System.gc() 調用。當用戶在代碼中調用 System.gc() 時會強制
   Shenandoah 執行 STW Full GC ，應禁用它以防止執行此操作，另外還可以使用 -
6. XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent，在 調用 System.gc() 時執行 CMS GC 而不是 Full GC，建議在有
   System.gc() 調用的情況下使用。
   不過目前 Shenandoah 垃圾回收器還被標記為實驗項目，如果要使用Shenandoah GC需要編譯時--with-jvmfeatures選項帶有shenandoahgc，然后啟動時使用參數
7. -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC