可视化Java垃圾回收的原理和实现

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垃圾回收,就像双陆棋一样,只需几分钟来学习,但要用一生来精通。

基础

当谈到释放不再使用的内存,垃圾回收已经在很大程度上取代了早期技术,比如手动内存管理和引用计数。

这是件好事,因为内存管理令人厌烦,学究式地簿记是计算机擅长的,而不是人擅长的。在这方面,语言的运行时环境比人强。

现代的垃圾回收非常高效,远远超过早期语言中典型的手工分配。通常,具有其它语言背景的人只盯着垃圾回收造成的中断,却没有完全理解自动内存管理发生作用的上下文环境。

标记&清除是Java(及其它运行时环境)用于垃圾回收的基本算法。

在标记&清除算法中,引用会从每个线程栈的桢指向程序的堆。所以,从栈开始,循着指针找到所有可能的引用,然后再循着这些引用递归下去。

当递归完成,就找到了所有的活对象,其它的都是垃圾。

请注意,人们经常漏掉的一点是,运行时环境本身也有一个“分配清单(allocation list)”,上面列出了指向每个对象的指针,该列表由垃圾回收器负责维护,并帮助垃圾回收器进行垃圾清理。因此,运行时环境总是可以找出由它创建但尚未回收的对象。

可视化Java垃圾回收的原理和实现

图一

上面插图中所示的栈只是一个与单个应用程序线程相关的栈;每个应用程序线程都有一个类似的栈,每个栈本身都有一组指向堆的指针。

如果垃圾回收器试图在应用程序运行过程中获取活对象的快照,那么它就要追踪运动着的目标,那样很容易漏掉一些严重超时的对象分配,因而无法获得一个 准确的快照。因此,“Stop the World”是有必要的;也就是,停止应用程序线程足够长的时间,以便捕获活对象的快照。

下面是垃圾回收器必须遵循的两条黄金法则:

  1. 垃圾回收器必须回收所有的垃圾。
  2. 垃圾回收器必须从不回收任何活对象。

但这两条规则并不是对等的;如果违反了第二条规则,结果会使数据遭到破坏。

另一方面,如果违反了第一条规则,则会是另一种情况,系统并不总是能够回收所有的垃圾,但最终会回收所有的垃圾,那么这是可以接受的,而实际上,这是垃圾回收器的基本原理。

HotSpot

现在,我们来说下HotSpot,它实际上是一个C、C++以及许多特定于平台的汇编程序组成的混合体。

当人们想到解释器,就会想到一个很大的while循环,其中包含一个很长的switch语句。但HotSpot解释器比那个要复杂的多(由于性能原因)。在开始阅读JDK源代码的时候,就会发现HotSpot中实在是有许多汇编程序代码。

对象创建

Java会预先分配大量的连续空间,就是我们所说的“堆”。之后,HotSpot完全在用户空间里管理这块内存。

如果一个Java进程占用了大量的系统(或内核)时间,那么毫无疑问,它不是在进行垃圾回收——因为所有的垃圾回收内存“簿记(bookkeeping)”都是在用户空间进行的。

内存池

可视化Java垃圾回收的原理和实现

图二

“永久代(PermGen)”是一个存储区域,用于保存那些需要在程序生存期内一直存活的东西,如类的元数据。不过,随着应用程序服务器的出现,它们有自己的类加载器,并且需要重新加载类的元数据,永久代作为一个优化决策开始显得糟糕,所幸,它在Java 8中消失了。

Java 8将会使用一个名为“元空间(Metaspace)”的新概念。元空间与永久代并不完全相同。它在堆的外面,由操作系统管理。这意味着,它不会在Java 堆中,而是在本地内存里。目前,这还不是一个非常好的消息,因为没有多少工具能够让用户轻松地查看本地内存。所以,永久代消失是件好事,但工具赶上这个变 化还需要一些时间。

Java堆布局

现在,我们来看下Java堆。注意堆空间之间的虚拟空间。它们提供了一点浮动量,以允许对内存池进行一定量的尺寸调整,又不用为任何对象移动付出代价。

可视化Java垃圾回收的原理和实现

图三

“弱代假设(Weak Generational Hypothesis)”

就现状而言,究竟为什么要将堆分成所有这些内存池?

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图四

有的运行时事实无法通过静态分析推导出来。上面的插图说明有两组对象:一组存活时间短,一组存活时间长——所以,做额外的簿记以便利用这一事实是有意义的。在Java平台中,有许多类似的作为优化写入平台的事实。

演示

Ben Evans进行了一系列的动画演示。第一个演示是个Flash,说明了对象在Eden区和一个新生代Survivor空间之间移动,并最终进入老年代的过程。

图五是用JavaFX再现了同样的过程。

可视化Java垃圾回收的原理和实现

图五

运行时开关

‘强制性’参数

  • -verbose:gc——为用户输出一些GC信息
  • -Xloggc:<文件路径>——指定日志输出路径,要确保磁盘有空间
  • -XX:+PringGCDetails——为辅助工具提供“最低限度信息(Minimum information)”——用这个参数代替-verbose:gc
  • –XX:PrintTenuringDistribution——“过早提升(Premature promotion)”信息

基本堆大小参数

  • -Xms<size> —— 设置预留给堆的最小内存值
  • -Xmx<size> —— 设置预留给堆的最大内存值
  • -XX:MaxPermSize=<size>——设置永久代的最大内存值——有利于Spring应用程序和应用服务器

以前,我们被教导要把-Xms和-Xmx的值设的一样大。不过这已经变了。因此,现在可以为-Xms设置一个合理范围内较小的值,或者根本就不设置,因为堆的适应能力现在已经非常好了。

其它参数

  • -XX:NewRatio=N
  • -XX:NewSize=N
  • -XX:MaxNewSize=N
  • -XX:MaxHeapFreeRatio
  • -XX:MinHeapFreeRatio
  • -XX:SurvivorRatio=N
  • -XX:MaxTenuringThreshold=N

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图六

为什么要有日志文件

日志文件的好处是能够用于取证分析,可以使用户免于为了再现问题而不得不再执行一次代码(如果是一个罕见的生产环境错误,那么重现并不容易)。

另外,它们包含的信息比针对内存的JMX MXBeans所能提供的信息更多,且不说轮询JMX本身会引入一系列GC问题。

工具

  • HP JMeter(用Google查询一下)——免费,非常可靠,但不再提供支持/功能增强
  • GCViewer——免费,开源,但界面有点丑
  • GarbageCat——名字最好听
  • IBM GCMV——支持J9
  • jClarity Censum——界面最美观,而且最有用——不过,这是我们的偏见!

小结

  • 需要了解一些GC基础理论
  • 要让新生代的大部分对象在年轻时死亡
  • 打开GC日志!——原始日志文件难以阅读——使用工具
  • 使用工具来帮助自己调优——测量,而不是猜测

来源:InfoQ - 马德奎

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