如何在IBM JDK 1.4.2的环境中避免Java堆空间的碎片问题

用户在使用 WebSphere Application Server(以下简称WAS)运行自己应用的时候经常会碰到Out Of Memory的问题（简称OOM问题），其中很大一部分的情况是Java堆空间碎片问题引起的OOM问题。IBM JDK 1.4.2的版本中JDK对GC的行为做出了一定的改进。其中一些JDK参数的引进可以改善Java堆空间的碎片问题。

IBM的JVM自1.5版本开始，全面向SUN靠拢，1.4版还有因为内存碎片导致经常OOM的问题，这明显就是JVM现实得不好还有，1.5的JVM中，存在ClassLoader实例超过8192而OOM的问题，

本文首先会给出IBM JDK 1.4.2中对于K簇(k-cluster)和P簇(p-cluster)工作模式的解释。然后在此基础上介绍JDK 1.4.2为解决碎片问题采取的新算法。最后，给出WAS中为改善Java堆空间碎片问题使用的JDK运行参数。

一、K簇和P簇
在Java堆空间中分配的内存对象通常是可以移动，如果垃圾回收程序（garbage collector）决定重新序列化堆空间的时候，可以四处移动这些对象。然而，有些对象永远或者临时无法移动。这些固定不动的对象就是常说的pin对象（pinned object）。
在IBM JDK 1.4.2中，垃圾回收程序首先会分配一个K簇作为堆空间底部的第一个对象。K簇是专门用来存储“类块”（class block）的区域。K簇可以容纳1280个类块条目。每个类块的大小是256个字节。紧接着垃圾回收程序会分配一个P簇作为堆空间中的第2个对象。P簇是用来存储pin对象的区域。第一个P簇的默认大小为16KB。

当K簇满了的情况下，垃圾回收程序在P簇中继续分配类块。当P簇满了的情况下，垃圾回收程序会分配一个大小为2KB的新P簇。由于这些新的P簇可以被分配到任何地方而且又不能被移动，这就造成了碎片的问题。

二、pinnedFreeList算法
为了解决这些问题，IBM JDK 1.4.2版本中起用了pinnedFreeList来改变P簇的分配方法。方法的关键是在每一次GC（garbage collection）后，垃圾回收程序从未分配列表的底部分配一些存储区并把它们串到pinnedFreeList上。分配P簇的请求将从 pinnedFreeList分配空间，而其他分配内存的请求将从堆的未分配列表上分配。无论堆的未分配列表或者pinnedFreeList被耗尽，垃圾回收程序都会造成一次分配失败并且引起GC。这种方法确保所有的P簇被分配在堆空间尽可能低的位置。

垃圾回收程序按照如下的算法确定给pinnedFreeList分配多少存储空间：
● 初始分配的空间是50KB
● 如果不是初始分配并且pinnedFreeList为空，那么垃圾回收程序会比较50KB和从上一次GC到现在总共分配P簇大小5倍的数值，按照较大的数值分配
● 如果不是初始分配并且pinnedFreeList不为空，那么垃圾回收程序会比较P簇溢出设定值（默认为2K）和从上一次GC到现在总共分配P簇大小5倍的数值，按照较大的数值分配。

这一算法在应用需要加载很多类的情况下会增大pinnedFreeList的大小。这样可以避免由于pinnedFreeList耗尽引起的分配失败。同时算法在分配很少P簇的情况下会减少pinnedFreeList的大小。这样可以避免pinnedFreeList占用过多的堆空间。
buildPinnedFreeList函数利用上面的算法构建pinnedFreeList。这个函数在如下地方会被调用：
● 在初始化簇（initializeClusters）时
● 在堆空间扩展（expandHeap）结束时
● 在gc0_locked结束时

垃圾回收程序通过调用nextPinnedCluster函数在pinnedFreeList中分配P簇。这个函数的工作方式类似于nextTLH 工作方式：总是从pinnedFreeList获取下一个空的块。如果pinnedFreeList空了，会产生manageAllocFailure。
在realObjCAlloc里，如果在P簇中没有空间了，垃圾回收程序就会调用nextPinnedCluster函数分配一个新的P簇。
在初始化簇（initializeClusters）时，垃圾回收程序调用nextPinnedCluster，nextPinnedCluster会分配一个50K大小的初始P簇，因为pinnedFreeList中唯一的空余块的大小是50K。空余块的大小等于50K是因为pinnedFreeList 在初始状态下被设置为50K。

三、调整Java运行参数
对于一个大的Java应用，比如：WAS，默认的K簇可能不足以分配所有的类块。在IBM JDK 1.4.2版本中，可以通过使用-Xk和-Xp命令行参数来设定K簇和P簇的大小，例如：-Xknnnn (其中nnnn代表K簇中可以容纳的类块的最大数目。)

通过添加Java的运行是参数-Dibm.dg.trc.print=st_verify 可以在GC的详细信息中得到合适nnnn的值，例如：
<GC(VFY-SUM): pinned=4265(classes=3955/freeclasses=0) dosed=10388 movable=1233792 free=5658>
pinned和classes的数值可以为-Xk的正确数值提供参考。一般推荐使用classes（3955）数值的110%左右，所以在这个例子中-Xk4200是一个合适的设置。

尽管，pinned和classes的数值之间的差值给pCluster的初始大小提供了线索。但是，因为每一个对象可能有不同的大小，所以很难预测P簇所需要的大小和P簇溢出的大小。

用户可以通过-Xp命令行参数-Xp设定P簇的初始大小和溢出大小。例如：-Xpiiii[K][,oooo[K]] (其中，iiii代表P簇的初始大小，单位是KB，oooo是可选的，代表溢出P簇（后续的P簇）的大小。iiii和oooo的默认值为16KB和 2KB。)

如果用户的应用确实遇到了堆空间碎片的问题，可以考虑打开GC的详细信息并使用-Dibm.dg.trc.print=st_verify参数，并从分析值中得到合适的-Xk值。如果问题依旧存在，可以考虑试验加大P簇的初始大小和溢出大小。

参考信息：
本文最新更新于2006年1月3日，主要解决在IBM JDK 1.4.2中如何通过调整java运行参数避免堆空间碎片问题。软件支持的情况会随着IBM产品的不断更新和完善而变化,最新的支持情况可以向IBM的业务代表,授权的代理商查询,或可直接查询IBM产品销售手册网站:http://www-306.ibm.com/common/ssi /OIX.wss?buttonpressed=DET003PT011&hfdd=
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