java性能优化：垃圾回收(gc)

 

 

内存释放（主要是gc） 

  　★jvm的内存 
 　　在java虚拟机规范中（具体章节请看“这里 ”），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（method area）：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（native method stack）：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（root set）”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jdk 1.2之后，jvm开始使用分代的垃圾回收（generational garbage collection）。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（major collection）和次要收集（minor collection）。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jdk 1.4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（pause time）。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（serial collector）
 　　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（parallel throughput collector）
 　　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jdk 1.5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jdk 1.6才开始引入。
 　　◇并发收集器（concurrent low pause collector）
 　　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jdk 1.4.1开始支持。
 　　◇增量收集器（incremental collector）
 　　自从jdk 1.4.2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：
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 -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”
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 　　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。