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Java性能优化[3]:垃圾回收(GC)【藏】  

2010-04-16 14:51:45|  分类: JVM相关 |  标签: |举报 |字号 订阅

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事先声明一下:虽说SUN公司已经被Oracle吞并了,但是出于习惯,同时也为了偷懒节省打字,以下仍然称之为SUN公司。

JVM的内 存
在Java虚拟机规范中(具体章节请看http://java.sun.com/docs/books/jvms/second_edition/html/Overview.doc.html#1732 ),提及了如下几种类型的内存空间:
栈内存(Stack):每个线程私有的。
堆 内存(Heap):所有线程公用的。
方法区(MethodArea):有点像以前常说的“进程代码段”,这里面存放了每个加载类的反射信息、类函 数的代码、编译时常量等信息。
原生方法栈(NativeMethodStack):主要用于JNI中的原生代码,平时很少涉及。

关 于栈内存(Stack)和堆内存(Heap),已经在上次的帖子中扫盲过了,大伙儿应该有点印象。由于今天咱们要讨论的“垃圾回收”话题,主要是和堆内存 (Heap)有关。其它的几个玩意儿不是今天讨论的重点。等以后有空了,或许可以单独聊一下。

垃圾回收机制简介
其实Java虚拟 机规范中并未规定垃圾回收的相关细节。垃圾回收具体该怎么搞,完全取决于各个JVM的设计者。所以,不同的JVM之间,GC的行为可能会有一定的差异。下 面咱拿SUN官方的JVM来简单介绍一下GC的机制。
啥时候进行垃圾回收?
一般情况下,当JVM发现堆内存比较紧张、不太够用时,它就会 着手进行垃圾回收工作。但是大伙儿要认清这样一个残酷的事实:JVM进行GC的时间点是无法准确预知的。因为GC启动的时刻会受到各种运行环境因素的影 响,随机性太大。
虽说咱们无法准确预知,但如果你想知道每次垃圾回收执行的情况,还是蛮方便的。可以通过JVM的命令行参数 “-XX:+PrintGC”把相关信息打印出来。
另外,调用System.gc()只是建议JVM进行GC。至于JVM到底会不会做,那就不好 说啦。通常不建议自己手动调用System.gc(),还是让JVM自行决定比较好。另外,使用JVM命令行参数 “-XX:+DisableExplicitGC”可以让System.gc()不起作用。
谁来负责垃圾回收?
一般情况下,JVM会有一 个或多个专门的垃圾回收线程,由它们负责清理回收垃圾内存。
如何发现垃圾对象?
垃圾回收线程会从“根集(RootSet)”开始进行对象 引用的遍历。所谓的“根集”,就是正在运行的线程中,可以访问的引用变量的集合(比如所有线程当前函数的参数和局部变量、当前类的成员变量等等)。垃圾回 收线程先找出被根集直接引用的所有对象(不妨叫集合1),然后再找出被集合1直接引用的所有对象(不妨叫集合2),然后再找出被集合2直接引用的所有对 象......如此循环往复,直到把能遍历到的对象都遍历完。
凡是从根集通过上述遍历可以到达的对象,都称为可达对象或有效对象;反之,则是不可 达对象或失效对象(也就是垃圾)。
如何清理/回收垃圾?
通过上述阶段,就把垃圾对象都找出来。然后垃圾回收线程会进行相应的清理和回收工 作,包括:把垃圾内存重新变为可用内存、进行内存的整理以消除内存碎片、等等。这个过程会涉及到若干算法,有兴趣的同学可以参见“这里”。限于篇幅,咱就 不深入聊了。
分代
早期的JVM是不采用分代技术的,所有被GC管理的对象都存放在同一个堆里面。这么做的缺点比较明显:每次进行GC都要 遍历所有对象,开销很大。其实大部分的对象生命周期都很短(短命对象),只有少数对象比较长寿;在这些短命对象中,又只有少数对象占用的内存空间大;其它 大量的短命对象都属于小对象(很符合二八原理)。
有鉴于此,从JDK1.2之后,JVM开始使用分代的垃圾回收 (GenerationalGarbageCollection)。JVM把GC相关的内存分为年老代(Tenured)和年轻代(Nursery)、持 久代(Permanent,对应于JVM规范的方法区)。大部分对象在刚创建时,都位于年轻代。如果某对象经历了几轮GC还活着(大龄对象),就把它移到 年老代。另外,如果某个对象在创建时比较大,可能就直接被丢到年老代。经过这种策略,使得年轻代总是保存那些短命的小对象。在空间尺寸上,年轻代相对较 小,而年老代相对较大。
因为有了分代技术,JVM的GC也相应分为两种:主要收集(MajorCollection)和次要收集 (MinorCollection)。主要收集同时清理年老代和年轻代,因此开销很大,不常进行;次要收集仅仅清理年轻代,开销很小,经常进行。

GC 对性能会有啥影响?
刚才介绍了GC的大致原理,那GC对性能会造成哪些影响捏?主要有如下几个方面:
造成当前运行线程的停顿
早期 的GC比较弱智。在它工作期间,所有其它的线程都被暂停(以免影响垃圾回收工作)。等到GC干完活,其它线程再继续运行。所以,早期JDK的GC一旦开始 工作,整个程序就会陷入假死状态,失去各种响应。
经过这些年的技术改进(包括采用分代技术),从JDK1.4开始,GC已经比较精明了。在它干活 期间,只是偶尔暂停一下其它线程的运行(从长时间假死变为暂时性休克)。
遍历对象引用的开销
试想如果JVM中的对象很多,那遍历完所有可 达对象肯定是比较费劲的工作,这个开销可不小。
清理和回收垃圾的开销
遍历完对象引用之后,对垃圾的清理和回收也有较大的开销。这部分开销 可能包括复制内存块、更新对象引用等等。

几种收集器
两个性能指标
因为今天聊的是性能的话题,必然会提到衡量GC性能的两 个重要指标:吞吐量(Throughput)和停顿时间(PauseTime)。吞吐量这个词不是很直观,解释一下:就是JVM不用于GC的时间占总时间 的比率。吞吐量是越大越好,停顿时间是越小越好。
不同的应用程序对这两个指标的关注点不一样(后面具体会说),也就是所谓的“众口难调”。很多 JVM厂商为了迎合“众口”,不得不提供多种几种垃圾收集器供使用者选择。不同的收集器,采用的收集策略是不一样的,下面具体介绍。
串行收集器 (SerialCollector)
使用命令行选项“-XX:+UseSerialGC”指定。
这种收集器是最传统的收集器。它使用单线 程进行垃圾回收,对于单CPU机器比较合适。另外,小型应用或者对上述两个指标没有特殊要求的,可以使用串行收集器。
并行收集器 (ParallelThroughputCollector)
顾名思义,这种收集器使用多个线程进行垃圾回收以达到高吞吐量。垃圾回收线程的数量 通过命令行选项“-XX:ParallelGCThreads=n”指定。可以设置该数值以便充分利用多CPU/多核。
当使用命令行选项 “-XX:+UseParallelGC”时:它会针对年轻代使用多个垃圾回收线程,对年老代依然使用单个线程的串行方式。此选项最早在JDK1.5引 入。
当使用命令行选项“-XX:+UseParallelOldGC”时:它针对年轻代和年老代都使用多个垃圾回收线程的方式。不过此选项从 JDK1.6才开始引入。
并发收集器(ConcurrentLowPauseCollector)
使用命令行选项 “-XX:+UseConcMarkSweepGC”指定。
这种收集器优先保证程序的响应。它会尽量让垃圾回收线程和应用自身的线程同时运行,从 而降低停顿时间。此选项从JDK1.4.1开始支持。
增量收集器(IncrementalCollector)
自从JDK1.4.2以 来,SUN官方就停止维护该收集器了。所以俺就节省点口水,不多说了。

如何降低GC的影响?
尽量减少堆内存的使用
由于 GC是针对存储在堆内存的对象进行的。咱们如果在程序中减少引用对象的分配(也就相应降低堆内存分配),那对于提高GC的性能是很有帮助滴。上次“字符串 过滤实战”的帖子给出了一个例子,示范了如何通过降低堆内存的分配次数来提升性能。

设置合适的堆内存大小
JVM的堆内存是有讲究 的,不能太大也不能太小。如果堆内存太小,JVM老是感觉内存不够用,可能会导致频繁进行垃圾回收,影响了性能;如果堆内存太大,以至于操作系统的大部分 物理内存都被JVM自个儿霸占了,那可能会影响其它应用程序甚至操作系统本身的性能。
另外,年轻代的大小(或者说年轻代与年老代的比值)对于GC 的性能也有明显影响。如果年轻代太小,可能导致次要收集很频繁;如果年轻代太大,导致次要收集的停顿很明显。
JVM提供了若干和堆内存大小相关的 命令行选项,具体如下:
------------------------------
-Xms设置初始堆内存
-Xmx设置最大 堆内存
-Xmn设置年轻代的大小
-XX:NewRatio=n设置年轻代与年老代的比例为“n”
-XX:NewSize=n设置 年轻代大小为“n”
------------------------------
一般情况下,JVM的默认参数值已经够用。所以没事儿 别轻易动用上述选项。如果你非调整不可,一定要做深入的性能对比测试,保证调整后的性能确实优于默认参数值。

吞吐量和停顿的取舍
前 面提到了不同应用的众口难调。常见的口味有两种:(1)看重吞吐量,对停顿时间无所谓;(2)侧重于停顿时间。
对于某些在后台的、单纯运算密集型 的应用,属于第一种。比如某些科学计算的应用。这时候建议使用并行收集器。
对于涉及用户UI交互的、实时性要求比较高、程序需要快速响应的,属于 第二种。比如某些桌面游戏、某些电信交换系统。这时候建议使用并发收集器。

相关的参考资料
GC调优资料
SUN官方提供了 若干关于JVM垃圾回收调优的说明文档,JDK1.4.2请看“这里”;JDK1.5请看“这里”;JDK1.6请看“这里”。
JVM命令行选项 说明
这是SUN公司内的某个有心人整理的各种命令行参数大全,在“这里”。包括有每个参数所适用的JDK版本。
虚拟机规范
这里 ”是SUN官方的JVM规范。
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