[JAVA · 初级]:GC-垃圾回收机制

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年轻代组成部分

为了理解GC,我们学习一下年轻代,对象第一次创建发生在这块内存区域。年轻代分为3块,Eden区和2个Survivor区。

年轻代总共有3块空间,其中2块为Survivor区。各个空间的执行顺序如下:

绝大多数新创建的对象分配在Eden区。

在Eden区发生一次GC后,存活的对象移到其中一个Survivor区。

在Eden区发生一次GC后,对象是存放到Survivor区,这个Survivor区已经存在其他存活的对象。

一旦一个Survivor区已满,存活的对象移动到另外一个Survivor区。然后之前那个空间已满Survivor区将置为空,没有任何数据。

经过重复多次这样的步骤后依旧存活的对象将被移到老年代。

通过检查这些步骤,如你看到的样子,其中一个Survivor区必须保持空。如果数据存在于两个Survivor区,或两个都没使用,你可以将这个情况作为系统错误的一个标志。

经过多次minor GC,数据被转移到老年代过程如下面的图表所示:

图3: GC前和GC后

请注意,在HotSpot虚拟机中,使用两种技术加快内存的分配。一个被称为“指针碰撞(bump-the-pointer)”,另外一个被称为“TLABs(线程本地分配缓冲)”。

指针碰撞技术跟踪分配给Eden区上最新的对象。该对象将位于Eden 区的顶部。如果之后有一个对象被创建,只需检查Eden区是否有足够大的空间存放该对象。如果空间够用,它将被放置在Eden区,存放在空间的顶部。因此,在创建新对象时,只需检查最后被添加对象,看是否还有更多的内存空间允许分配。然而,如果考虑多线程的环境,则是另外一种情况。为了实现多线程环境下,在Eden 区线程安全的去创建保存对象,那么必须加锁,因此性能会下降。在HotSpot虚拟机中TLABs能够解决这一问题。它允许每个线程在Eden区有自己的一小块私有空间。因为每一个线程只能访问自己的TLAB,所以在这个区域甚至可以使用无锁的指针碰撞技术进行内存分配。

我们已经对年轻代有了一个快速的浏览。你不需要要记住我刚才提到的两种技术。即便你不知道他们,也不会怎么样。但请务必记住:对象第一次被创建发生在Eden区,长期存活的对象被移动到老年代的Survivor区。

老年代GC

当老年代数据满时,基本上会执行一次GC。执行程序根据不同GC类型而变化,所以如果你知道不同类型的垃圾收集器,会更容易理解垃圾回收过程。

在JDK7中,有5种垃圾收集器:

Serial收集器

Parallel收集器

Parallel Old收集器 (ParallelCompacting GC)收集器

Concurrent Mark & Sweep GC  (or “CMS”)收集器

Garbage First (G1) 收集器

其中,serial 收集器一定不能用于服务器端。这个收集器类型仅应用于单核CPU桌面电脑。使用serial收集器会显着降低应用程序的性能。

现在让我们来了解每个收集器类型。

Serial收集器

我们在前一段的解释了在年轻代发生的垃圾回收算法类型。在老年代的GC使用算法被称为“标记-清除-整理”。

该算法的第一步是在老年代标记存活的对象。

从头开始检查堆内存空间,并且只留下依然幸存的对象(清除)。

最后一步,从头开始,顺序地填满堆内存空间,将存活的对象连续存放在一起,这样堆分成两部分:一边有存放的对象,一边没有对象(整理)。

serial收集器应用于小的存储器和少量的CPU。

Parallel收集器

图4: Serial收集器和 Parallel收集器的差异

从这幅图中,你可以很容易看到Serial收集器和 Parallel收集器的差异。serial收集器只使用一个线程来处理的GC,而parallel收集器使用多线程并行处理GC,因此更快。当有足够大的内存和大量芯数时,parallel收集器是有用的。它也被称为“吞吐量优先垃圾收集器。”

ParallelOld 垃圾收集器

Parallel Old收集器是自JDK 5开始支持的。相比于parallel收集器,他们的唯一区别就是在老年代所执行的GC算法的不同。它执行三个步骤:标记-汇总-压缩(mark – summary – compaction)。汇总步骤与清理的不同之处在于,其将依然幸存的对象分发到GC预先处理好的不同区域,算法相对清理来说略微复杂一点。

CMSGC

图5: Serial GC & CMS GC

CMS垃圾收集器

如你在上图看到的那样, CMS垃圾收集器比之前我解释的各种算法都要复杂很多。初始标记(initial mark)比较简单。这一步骤只是查找距离类加载器最近的幸存对象。所以停顿时间非常短。之后的并发标记步骤,所有被幸存对象引用的对象会被确认是否已经被追踪检查。这一步的不同之处在于,在标记的过程中,其他的线程依然在执行。在重新标记步骤会修正那些在并发标记步骤中,因新增或者删除对象而导致变动的那部分标记记录。最后,在并发清除步骤,垃圾收集器执行。垃圾收集器进行垃圾收集时,其他线程的依旧在工作。一旦采取了这种GC类型,由于垃圾回收导致的停顿时间会极其短暂。CMS 收集器也被称为低延迟垃圾收集器。它经常被用在那些对于响应时间要求十分苛刻的应用上。

当然,这种GC类型在拥有stop-the-world时间很短的优点的同时,也有如下缺点:

它会比其他GC类型占用更多的内存和CPU,默认情况下不支持压缩步骤,在使用这个GC类型之前你需要慎重考虑。如果因为内存碎片过多而导致压缩任务不得不执行,那么stop-the-world的时间要比其他任何GC类型都长,你需要考虑压缩任务的发生频率以及执行时间。

G1GC

最后,我们来学习一下G1类型。

图6: Layout of G1 GC

如果你想要理解G1收集器,首先你要忘记你所理解的新生代和老年代。正如你在上图所看到的,每个对象被分配到不同的网格中,随后执行垃圾回收。当一个区域填满之后,对象被转移到另一个区域,并再执行一次垃圾回收。在这种垃圾回收算法中,不再有从新生代移动到老年代的三部曲。这个类型的垃圾收集算法是为了替代CMS 收集器而被创建的,因为CMS 收集器在长时间持续运行时会产生很多问题。

G1最大的好处是他的性能,他比我们在上面讨论过的任何一种GC都要快。但是在JDK 6中,他还只是一个早期试用版本。在JDK7之后才由官方正式发布。就我个人看来,NHN在将JDK 7正式投入商用之前需要很长的一段测试期(至少一年)。因此你可能需要再等一段时间。并且,我也听过几次使用了JDK 6中的G1而导致Java虚拟机宕机的事件。请耐心的等待它更稳定吧。

建议

通过对垃圾收集器的介绍和梳理,在管理垃圾回收方面提出了五个建议,降低收集器开销,进一步提升项目性能。

保持GC低开销最实用的建议是什么?

早有消息声称Java 9即将发布,但如今却一再推迟,其中比较值得关注的是G1(“Garbage-First”)垃圾收集器将成为HotSpot JVM的默认收集器。从串行收集器到CMS收集器,在整个生命周期中JVM已历经多代GC的实现和更新,而接下来,G1收集器将谱写新的篇章。

随着垃圾收集器的持续发展,每一代都会进行改善和提高。在串行收集器之后的并行收集器利用多核机器强大的计算能力,实现了垃圾收集多线程。而之后的CMS(Concurrent Mark-Sweep)收集器,将收集分为多个阶段执行,允许在应用线程运行同时进行大量的收集,大大降低了“stop-the-world”全局停顿的出现频率。而现在,G1在JVM上加入了大量堆和可预测的均匀停顿,有效地提升了性能。

尽管GC不断在完善,其致命弱点还是一样:多余的和不可预知的对象分配。但本文中提出了一些高效的长期实用的建议,不管你选择哪种垃圾收集器,都可以帮助你降低GC开销。

业务思想

随着垃圾收集器不断进步,以及实时优化和JIT编译器变得更加智能,作为开发者的我们,可以越来越少地操心代码的GC友好性。尽管如此,无论G1有多先进,在提高JVM方面,我们还有许多问题需要不断探索和实践,百尺竿头仍需更进一步。


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  1. test
    游客2018-01-02 09:24 (4个月前) 回复
    • ll
      游客 2018-04-02 14:05(1个月前)

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