原文地址：JVM Anatomy Park #21: Heap Uncommit
问题
我想要回我的内存。这不是问题。
理论
JVM 有很多使用内存的地方，存储内部 VM 状态在本地内存，为 Java 对象提供存储空间（“Java Heap”）。我们在《本地内存追踪》中已经了解了本地内存，但是很多程序主要的内存使用还是 Java 堆。
Java 堆通常由自动内存管理器管理，有时被称为垃圾回收器。[1] GC 会从底层 OS 内存管理器中分配大块的内存，并且将它们分块以便接受分配。这意味着即使在堆内存中仅有几个 Java 对象，但是从 OS 的角度，JVM 进程已经获取了 Java 堆所需的内存。[2]
因此，如果我们想要将 Java 堆未使用的部分还给 OS，那么我们需要 GC 协助。
有两种方式实现协助：执行更频繁的 GC，而不是“扩大” Java 堆至 -Xmx；或者显式的归还未使用的 Java 堆，即使在 Java 堆扩大到 -Xmx 之后。第一种方式只能提供有限的帮助，而且通常只在程序生命周期的早期阶段有效 —— 最终，应用程序将会分配很多。在本文中，我们将会关注第二种方式，当堆已经扩大了该怎么办。
现代 GCs 在这方面做了什么？
实验设置
内存占用测量比较麻烦，因为我们需要定义“占用”。由于我们讨论的是 OS 层面的内存占用，所以可以测量 JVM 进程的 RSS，这包含本地 VM 内存和 Java 堆。
另一个重要的问题是何时测量内存占用。应用程序生命周期不同阶段的数据量是不同的，这是显而易见的。当应用程序故意优化内存占用的时候尤其如此，比如当实际操作发生时才触发的懒（延迟）加载。最常见的错误就是启动这种程序，立即对内存占用进行快照，然后实际开始工作了就超出了之前的内存评估。
自动内存管理器通常会对应用程序的状态做出反应：基于分配压力触发 GC，释放可用空间，空闲等。仅仅测量活跃阶段也可能不太准确。通过观察可以进一步证实这一点儿，大多数应用程序（高负载服务器除外）大部分时间都是空闲的，或者运行在低负载状态。
所有这一切意味着我们需要测量程序生命周期不同阶段的内存占用，这样才能得出全面的结论。让我们以 spring-boot-petclinic 项目为例，使用不同的 GC 执行程序。下面是我们使用的配置：
- Serial GC：小堆应用程序的首选 GC。具有很低的本地开销，更积极的 GC 策略，等；
- G1 GC：OpenJDK 的主力，从 JDK 9 开始成为默认 GC；
- Shenandoah GC：来自 Red Hat 的并发 GC。通过它可以展示 footprint-savvy GC 的一些行为。[3]为了这个实验的目的，Shenandoah 以两种模式运行：default模式，以及将内存占用降至最低的compact模式。[4]
这个实验由这个简单的脚本驱动。我们使用最新发布的 OpenJDK 11，但是使用 OpenJDK 8 也一样，因为在 8 和 11 中测试用例中的 GC 行为没有明显变化。
结果与讨论
Start+Idle
让我们看一下 RSS 图。我们能看到什么？
在启动阶段，所有的 GC 都尝试处理很小的初始堆内存，很多将会执行频繁的 GC。这将保持堆内存不会扩展很大。在初始启动阶段之后，工作负载稳定在某个特定的内存占用级别。由于缺少 GC 触发的条件，在启动阶段内存占用量基本上是由触发 GC 的启发式算法决定的，即使存储的数据量是一样的。当启发式算法从一百多个 GC 配置组合猜测用户的期望时，这将会变得特别奇怪。
Load
与上图相同：
当负载来了之后，GC 启发式算法又需要决定一些事情。依赖 GC 的实现和配置，需要决定扩展堆内存，或者执行更频繁的 GC 循环。
Serial GC 决定执行更频繁的 GC。G1 扩大内存到了最大堆内存的 3/4，开始执行比较频繁的 GC 以应对分配压力。default 模式下的 Shenandoah，在密集的堆内存中执行并发 GC，它选择尽可能的扩展内存，在不频繁 GC 的情况下维持应用程序的并发性。compact 模式下的 Shenandoah，被要求维护比较低的内存占用，它选执行更频繁的 GC。
实际的 GC 频率日志证实了这一点：
更频繁的 GC 也意味着更多的 CPU 占用：
虽然图中有很多毛刺，但是我们可以清晰的看到“Shenandoah (compact)”耗费了更多时间。这是维持密集内存占用而必须付出的代价。或者换句话说，这是吞吐量-延迟-内存占用的权衡。当然有一些可调的配置可以控制不同的权衡需求，这个实验仅仅展示了两者在默认配置下的不同点：倾向于吞吐量，或者倾向于内存占用。因为 Shenandoah 是并发 GC，即使连续执行 GC 也不会让程序停顿太久。
Idle
与上图相同：
当应用程序开始空闲了，GC 可以决定归还某些资源。最明显的做法是归还堆中空闲的部分。**如果堆已经被分割成独立的内存块，那么就相对简单了，例如像 G1 和 Shenandoah 这种分块的收集器。尽管如此，GC 需要决定是否、何时执行归还。
许多 OpenJDK GC 仅仅在 GC 周期中执行 GC 相关的操作。但有趣的事情发生了。大部分 OpenJDK GC 是基于分配触发的，这意味着只有堆占用达到某个条件才会启动 GC 周期。如果应用程序突然进入空闲状态，这意味着分配也停止了，所以无论当前的占用水平如何，都将一直持续下去。这对万物静止 GC 是有意义的，因为我们并不想随便开始长时间的停顿。
实际上没有必要将内存归还与 GC 周期关联。在 Shenandoah 中有一个异步周期性归还逻辑，我们将会看到这触发了空闲阶段第一次较大的内存下降。在本实验中，我们特意将回收延迟设置为 5 秒，我们可以看到它确实是在空闲几秒钟后发生的。这对上一个 GC 周期清空的（但是现在还没分配的）内存块进行了回收。
但是还有一个需要注意的地方：由于应用程序突然进入空闲阶段，所以还会存在一些未回收的垃圾。这提供了一个实现周期性 GC 的动机，清除遗留的垃圾。周期性 GC 是空闲阶段第二次内存回收的原因。周期性 GC 释放了新的内存块，稍后会被周期性归还。
如果 GC 周期已经足够频繁了（参见“Shenandoah (compact)”），这些操作无关紧要，因为内存占用已经很低了，没有额外占用的内存。
Full GC
与上图相同：
在并发 GC 实现中执行周期性 GC 不那么麻烦：如果负载在 GC 周期期间恢复，也不会造成不好的影响。STW GC 就不同了，它不确定执行 major GC 是否是个好主意。在最坏的情况下，我们需要显式地让 JVM 执行 GC，至少 G1 会可靠地响应这个请求。注意在 Full GC 之后，大部分收集器的内存占用降至了同一水平，在没有用户干预的情况下，周期性 GC 和周期性归还更早回到最低水平。
结论
周期性 GC。执行周期性 GC 有助于清除遗留的垃圾。并发 GC 通常会执行周期性 GC：Shenandoah 和 ZGC 都这样做。G1 将通过 JEP 346 在 JDK 12 中获得这一特性。否则，可以使用外部或内部的代理在合适的时间点周期性调用 GC，最困难的是如何定义合适的时间点。请参见Jelastic GC Agent。
堆内存归还。许多 GC 已经实现了在合适的时机归还堆内存：Shenandoah 异步执行堆内存归还，即使没有 GC 请求；G1 在显式 GC 请求中执行堆内存归还；Serial 和 Parallel 在某些条件下也会执行。ZGC 也准备这样做，让我们期待 JDK 12。G1 通过 JEP 346 实现周期性 GC 来处理同步性。当然这里有一个权衡：归还内存可能会耗费一些时间，所以实际的实现会在归还内存之前会增加一个超时时间。
以内存占用为目标的 GC。许多 GC 提供了灵活的配置项，可以使 GC 执行更频繁，从而优化内存占用。即使是增加周期性 GC 频率这样的操作，也有助于尽早清楚垃圾。某些 GC 可能会提供预先封装的配置包，使得 GC 可以做出有利于内存占用的选择，其中包括配置更频繁的 GC 周期，以及更频繁的内存归还周期，比如 Shenandoah 的 “compact” 模式。
每次你换了一个 GC 实现，而且满足内存占用预期的时候，请务必理解为什么会这样，这是怎么做到的。这有助于清楚地了解付出的成本，以及是否可以在不改变 GC 实现的情况下实现同样的效果。
[1] “垃圾收集器”这个词不太恰当，因为 GC 通常也会负责分配内存。参见 Epsilon GC
[2] 这里有点儿复杂。例如，Linux 在第一次使用的时候才会分配实际的内存，即使程序认为内存是可用的，并且由进程占用。
[3] 完全披露：我在 Shenandoah 中实现了大部分堆内存归还逻辑，本文基本上是之前实验的重演。如果本文看起来像 Shenandoah 的广告，这是因为它就是广告。
[4] 通过 -XX:ShenandoahGCHeuristics=compact 启用