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Java -- Hotspot虚拟机调优与GC垃圾回收策略

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(先扯扯Java,热热身) 论坛上,经常看到有些人讨论c、c++、java哪个更快,哪个更主流等的口水贴,吵的乐此不疲。其实个人感觉Java 1.6之后性能和开发效率都提高了不少,虽然不像直接编译成机器码的语言一样,但是Java特有的JVM动态优化器、JIT即时编译器对热点代码都提供了动态编译和即时优化,而且开源的库也比较多,开发效率也比较高。

不过,Java在高性能IO、大内存使用上还是有些自己的弱点(个人观点,有进一步见解的可留言讨论),不过大部分系统开发还是可以应付的,Hadoop、Hbase也都是java写的。所以必要过分的挣这些,应用的场景、底层相关度、团队开发的熟悉语言反而显得比较重要

回到正题哈,Java相对于c/c++来说,是比较“动态”的语言,在运行时期,也有扩展性和可优化性(不像c/c++直接编译成机器码)。所以,针对JVM和GC的一些优化策略就显得尤为重要,提供给程序员的灵活性也会相应的增加。这两天着手于Java后端进程的优化,对jvm和gc进行了一些研究。做了一些简单的总结:


  • 虚拟机的内存

  • GC回收算法、策略

  • jvm启动参数优化

  • 性能优化 Tips


1、虚拟机的内存 :

熟悉c的同学,一定知道c对内存进行分区的管理:栈+堆+静态存储+mmap等。同样Java亦是如此。不过Java绝大多数对象都是new出来得,所以Java与"堆内存"联系更紧密。也是吃内存的大户,对“堆内存”的分区方式有些不同,Java把堆分成了四大部分:


  Eden(新生代) + S0/S1(Survivor区域) + Old(老年代) + Perm(持久代)



Eden : Eden主要存储一些“新对象”,比如刚刚被new出来的(就像伊甸园的新生人类一样)。大部分生命周期比较短的对象,都是在这个区域里徘徊。

S0/S1 : 又称为from和to是两个同等大小的区域,在使用“复制”回收算法时,作为DoubleBuffer(双缓冲见博客之前的文章),起内存整理的作用(具体作用后面gc算法时会提到)。

       Old : 老年代主要存储一些生存时间特别长的对象,比如伴随服务进程时刻一直存在的对象,还有进入Eden后,长时间没被清理的对象,也会进去老年代。或者超大的对象无法直接在新生代分配的对象。

Perm : 存放代码,字符串常量池,静态变量等,可以持久化的数据。(包含String.intern()方法放入字符串常量池的容量)。Perm区不同于"方法区",方法区按Java规范属于Non-Heap,只是SunJDK把它实现在了Perm区,用Perm区来存储(后续SunJDK正在逐步移出)。

Java New IO (NIO)为了获得更高的效率,防止jvm的堆内存和系统内存做多一层的映射,使用了DirectMemory的方式。例如NIO中的MappedByteBuffer,DirectByteBuffer。直接从操作系统分配内存,也成为“堆外内存”。这部分内存不受GC的直接管理,但是效率很高。使用时要比较小心,否则有可能堆内存还剩很多的时候,却抛出了OutOfMemory的异常(无法分配内存了)。


2、GC回收算法、策略 :    

  Garbage Collection时时刻刻伴随这你写的代码,帮你回收着不会再使用的对象。在c/c++中,malloc/free和new/delete总是要成对的出现(自己的东西自己收拾)。在Java GC伴随中写代码的程序员,基本上不用考虑自己“收拾”了,也基本上不用担心哪里忘了"free"内存。注意,是“基本上”,因为有时候错误的使用,也会造成Java的内存泄漏。

       试想一下,如果你自己写一个垃圾回收器,你会怎么做?(拓展一下思维哈)

       首先,我们需要明确,什么是垃圾对象?什么是内存的泄漏?狭义的理解,可以简单的认为,如果一个对象,我们以后不可能在用了,不想要了(就像丢掉生活中的垃圾),把这个对象的“引用”赋值一个null,哇!世界清静了,再也找不到那个对象了。泄漏,顾名思义,那个被你丢弃的对象,那块内存被你扔掉了,但是却没人能接着复用,就像从内存中扣除去了一样。所以,可以基本看出gc的简单的流程:

       遍历内存中所有的对象 -->  找到那些你不在需要的(引用为null) --> 清理那块内存(不保证一定) --> 放入未使用的内存供其他地方用

       这就是GC的大致流程,当然其中的很多不同的算法细节造就了不同的结构、效果:

     

一、遍历对象,找到“垃圾”所使用的方法:

*  引用计数法(经典,但是Sun Java未使用):

               引用计数很好理解,就是为每一个对象维护一个计数器,存储引用这个对象的个数,如:

               A a = new A();  // new出来的这个对象“X”的引用就为1

               A b = a ;  // “X”引用+1

               a = null;  // “X”引用-1

               当对象“X”的引用为0,说明没人再引用它,它就没用了。

               

               *   根搜索法(Sun Java使用):

   

               此算法中,所有的Java对象构成一颗近似“搜索树”的结构,有一个root根节点,每次从root出发向下搜索,当整个树遍历完成后,那些不在其中的变量则视为"垃圾"。

               如下对象可作为root可达的对象:

                       Java虚拟机栈中变量所引用的对象(比如A a = new A(),a即为栈中变量)  -- 最主要的

                       方法区中静态属性引用的对象

                       方法区中常量引用的对象

                       JNI Native方法引用的对象


二、回收算法:

标记-清除 算法 (Mark-Sweep算法)

分为两个阶段:标记和清除,标记就是利用上述方法先找到所有人为是垃圾的对象,然后进入清除阶段,清理每块内存。是所有算法中最基本的,其他算法都是在它基础上演进的。可以看出它所存在的问题:
1、效率不高,遍历过程需要Hung住整个JVM(暂停进程执行)
               2、会产生碎片,因为清理过程较简单,只是回收不会把不连续内存合并,有可能利用不了两块内存中间的空隙容量(如下图,灰色之间的白色区域不够新分配)



复制算法 (Eden、S0/S1使用的算法)

该方法分配两块大小相同的内存A和B,同一时刻只用A或者B,另外一块作为Buffer,不写入数据。写满回收时,将仍然“活着”的对象从A移入B,移入的时候,可以将所有对象“整齐”的排放,相当于一次整理,然后一次性的清理整个A内存,B代替A的地位寸处对象,A作为Buffer等待下次交替。
可以避免碎片的问题,效率也不错,不过会浪费1/2的内存块,因为要作为buffer不能使用。所以这种方法不适合老年代这种大内存的地方,而且不适合长生命周期的对象,因为需要在两块内存之间拷贝多次。适合新生代这种比较小的内存块,不久之后将被回收,这就是就是S0/S1的实现方法。



标记-整理 算法 (Mark-Compact)

该方法第一步与标记-清除类似,第二步整理时,不直接清除内存,而是把所有存活的对象向一个固定地方聚齐(整理),就像收拾屋子一样,妈妈总是会把孩子们先喊到屋子一角,然后开始打扫。
整理过程不需要另外一块内存buffer的参与,而且不会由于长时间存活的对象而造成频繁移动拷贝。所以适合老年代。





   概念整理:

  FullGC : 老年代的触发的GC,可回收老年代和Perm代

YoungGC : 年轻代的GC,又称为MinorGC

MinorGC可能比较频繁一般多一些没关系,FullGC需要Hung住进程,发生多了影响响应时间,所以应该尽量避免

可以通过设置-Xms(初始化内存大小)和-Xmx(最大内存大小)使堆定长,这样就会发生收缩和扩张,可以避免GC的发生。


   GC总览:





jvm启动参数优化

几种算法各有各的优势,并且根据内存分区不同而选择不同的算法,下面给出一些JVM和GC启动时候的参数,可以帮助调优程序对内存的使用:


-XX:-DisableExplicitGC禁止调用System.gc(),可避免强制的无用GC

-XX:+ScavengeBeforeFullGC       新生代GC优先于Full GC执行
  -XX:+UseConcMarkSweepGC     对老生代采用并发标记清除算法进行GC
-XX:+UseParallelGC                       启用并行GC
  -XX:+UseParallelOldGC                 对Full GC启用并行,当-XX:-UseParallelGC启用时该项自动启用
-XX:+UseSerialGC                         启用串行GC

  -XX:+PrintGC                                 每次GC时打印相关信息
   -XX:+PrintGC Details                 每次GC时打印详细信息

-Xloggc:gc.log                                 GC打印文件

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  内存溢出时dump文件,可供分析


--server  以server模式启动(默认client),会触发很多优化机制(JIT编译、优化器),适合启动时间长,运行响应快的后端进程。建议后端都开启。

性能优化Tips

1、在适合的场景中选择合适的GC算法,优先使用并发GC,如CMS(-XX:+UseConcMarkSweepGC),性能好于并行GC,好于串行GC。

2、新对象在Eden和S0/S1经过15次YoungGC后,一次GC长一岁,进入Old。所以尽可能的释放无用的引用和资源。

3、Java String的subString和split方法由潜在的浪费内存的诟病,大量字符串操作情况下,自行用while和new String方式替换。

4、多使用并发数据结构(java.util.concurrenc),提高并发性能。

5、多线程下谨慎使用volatile 关键字,避免内存栅和内存的一致性访问

6、大数据量,高性能访问可以使用或借鉴Google Guava库

7、对直接数据类型,比如int、long大量操作时,避免与Integer、Long转换带来的装箱拆箱消耗

8、在高IO场景下,使用NIO代替原来的stream io

9、jvm喜欢可以重复调用的代码,可以做JIT即时编译和优化

10、构造HashMap如果元素个数可预先预估,比如cache,最好通过构造函数传入预估大小、调节负载因子防止rehash过于频繁。

11、rehash代价比较高,如果需要自己实现的话,可以参考一下redis的rehash方式,利用了double buffer,可实现动态rehashing过程。

建议继续学习:

  1. 深入理解PHP原理之Session Gc的一个小概率Notice    (阅读:3225)
  2. jvm垃圾回收    (阅读:2680)
  3. JAVA虚拟机简介    (阅读:2527)
  4. 浅谈PHP5中垃圾回收算法(Garbage Collection)的演化    (阅读:2252)
  5. 在 C++ 中引入 gc 后的对象初始化    (阅读:2169)
  6. 把 lua 的 gc 移到独立线程    (阅读:2186)
  7. xen虚拟机的迁移类型    (阅读:1894)
  8. Erlang虚拟机基础设施dtrace探测点介绍和使用    (阅读:1654)
  9. VirtualBox 虚拟机镜像文件 UUID 已存在问题    (阅读:1266)
  10. 在 Unity3D 的 Mono 虚拟机中嵌入 Lua 的一个方案    (阅读:1012)
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