Как работает сборка мусора?
Очередной вопрос, ответ на который нужно начинать с уточнения: в каком именно сборщике мусора? Понятие сборщика мусора вводится в спецификации JVM, но внутренности зависят от реализации. Одна JVM может содержать несколько сборщиков, один сборщик может применять разные алгоритмы в разных случаях. Вообще говоря, в теории GC может делать ничего. Метод System.gc() обещает, что сборщик сделает «лучшую попытку» освободить память, то есть по факту не дает никаких гарантий.
GC (garbage collector) – центральная тема шуток про «джава тормозит». Это необходимая плата за стабильное автоматическое управление памятью. Поэтому это одна из самых бурлящих и меняющихся областей мира Java.
Основные подходы к сборке мусора – подсчет ссылок (reference counting) и обход графа достижимых объектов (mark-and-sweep, copying collection). Первый подход испытывает трудности с циклическими ссылками, в Java в основном используется второй.
Большинство сборщиков опирается на слабую гипотезу о поколениях. Гипотеза предполагает, что молодые объекты умирают чаще. Для этого куча делится на регионы по времени жизни объектов – поколения. Сборка мусора в них выполняется раздельно.
Общий для большинства сборщиков алгоритм описан во множестве статей, например, в этой. Суть его в том, что достижимые объекты помечаются и группируются, а недостижимые удаляются.
GC Roots – то, с чего начинается обход графа объектов на вопрос достижимости. Множество корневых объектов (root set) считается достижимым безусловно. Часто на интервью просят их перечислить.
Важное понятие для сборщиков мусора – Stop The World пауза. Это полная остановка потоков программы для безопасной сборки мусора и других системных операций. Происходит в специальных местах программы, которые называются safepoint.
Конкретный сборщик в HotSpot указывается в параметре запуска JVM. Каждый сборщик имеет много специфичных для него настроек. В Java 10 HotSpot доступно 4 сборщика:
�� Serial – однопоточный, с поколениями. Дает большой throughput (маленькая сумма задержек);
�� Parallel – многопоточный вариант Serial;
�� CMS (Concurrent Mark-Sweep) – дает меньшую latency (маленькие отдельные паузы), выполняя часть сборки вне Stop The World. Плата за это – меньший throughput. Способ сборки примерно как в предыдущих, работает с поколениями. В Java 9 уже объявлен deprecated;
�� G1 (Garbage First) – тоже направлен на уменьшение latency. Вместо поколений оперирует регионами;
�� Скоро будет добавлен новый сборщик Shenandoah;
Настоятельно рекомендуется к изучению очередной доклад Шипилёва (с продолжением) и цикл статей на хабре.
Избавляемся от мусора в Java
Для работы любого приложения требуется память. Однако память компьютера ограничена. Поэтому важно ее очищать от старых неиспользуемых данных, чтобы освободить место для новых.
Кто занимается этой очисткой? Как и когда очищается память? Как выглядит структура памяти? Давайте разберем с этим подробнее.
Структура памяти Java
Память в Java состоит из следующих областей:
Native Memory — вся доступная системная память.
Heap (куча) — часть native memory, выделенная для кучи. Здесь JVM хранит объекты. Это общее пространство для всех потоков приложения. Размер этой области памяти настраивается с помощью параметра -Xms (минимальный размер) и -Xmx (максимальный размер).
Stack (стек) — используется для хранения локальных переменных и стека вызовов метода. Для каждого потока выделяется свой стек.
Metaspace (метаданные) — в этой памяти хранятся метаданные классов и статические переменные. Это пространство также является общими для всех. Так как metaspace является частью native memory, то его размер зависит от платформы. Верхний предел объема памяти, используемой для metaspace, можно настроить с помощью флага MaxMetaspaceSize.
PermGen (Permanent Generation, постоянное поколение) присутствовало до Java 7. Начиная с Java 8 ему на смену пришла область Metaspace.
CodeCache (кэш кода) — JIT-компилятор компилирует часто исполняемый код, преобразует его в нативный машинный код и кеширует для более быстрого выполнения. Это тоже часть native memory.
Сборка мусора: введение
Что такое «мусор»? Мусором считается объект, который больше не может быть достигнут по ссылке из какого-либо объекта. Поскольку такие объекты больше не используются в приложении, то их можно удалить из памяти.
Например, на диаграмме ниже объект fruit2 может быть удален из памяти, поскольку на него нет ссылок.
Что такое сборка мусора? Сборка мусора — это процесс автоматического управления памятью. Освобождение памяти (путем очистки мусора) выполняется автоматически специальным компонентом JVM — сборщиком мусора (Garbage Collector, GC). Нам, как программистам, нет необходимости вмешиваться в процесс сборки мусора.
Сборка мусора: процесс
Для сборки мусора используется алгоритм пометок (Mark & Sweep). Этот алгоритм состоит из трех этапов:
- Mark (маркировка). На первом этапе GC сканирует все объекты и помечает живые (объекты, которые все еще используются). На этом шаге выполнение программы приостанавливается. Поэтому этот шаг также называется «Stop the World» .
- Sweep (очистка). На этом шаге освобождается память, занятая объектами, не отмеченными на предыдущем шаге.
- Compact (уплотнение). Объекты, пережившие очистку, перемещаются в единый непрерывный блок памяти. Это уменьшает фрагментацию кучи и позволяет проще и быстрее размещать новые объекты.
Поколения объектов
Что такое поколения объектов?
Для оптимизации сборки мусора память кучи дополнительно разделена на четыре области. В эти области объекты помещаются в зависимости от их возраста (как долго они используются в приложении).
- Young Generation (молодое поколение). Здесь создаются новые объекты. Область young generation разделена на три части раздела: Eden (Эдем), S0 и S1 (Survivor Space — область для выживших).
- Old Generation (старое поколение). Здесь хранятся давно живущие объекты.
Что такое Stop the World?
Когда запускается этап mark, работа приложения останавливается. После завершения mark приложение возобновляет свою работу. Любая сборка мусора — это «Stop the World».
Что такое гипотеза о поколениях?
Как уже упоминалось ранее, для оптимизации этапов mark и sweep используются поколения. Гипотеза о поколениях говорит о следующем:
- Большинство объектов живут недолго.
- Если объект выживает, то он, скорее всего, будет жить вечно.
- Этапы mark и sweep занимают меньше времени при большом количестве мусора. То есть маркировка будет происходить быстрее, если анализируемая область небольшая и в ней много мертвых объектов.
Таким образом, алгоритм сборки мусора, использующий поколения, выглядит следующим образом:
- Новые объекты создаются в области Eden. Области Survivor (S0, S1) на данный момент пустые.
- Когда область Eden заполняется, происходит минорная сборка мусора (Minor GC). Minor GC — это процесс, при котором операции mark и sweep выполняются для young generation (молодого поколения).
- После Minor GC живые объекты перемещаются в одну из областей Survivor (например, S0). Мертвые объекты полностью удаляются.
- По мере работы приложения пространство Eden заполняется новыми объектами. При очередном Minor GC области young generation и S0 очищаются. На этот раз выжившие объекты перемещаются в область S1, и их возраст увеличивается (отметка о том, что они пережили сборку мусора).
- При следующем Minor GC процесс повторяется. Однако на этот раз области Survivor меняются местами. Живые объекты перемещаются в S0 и у них увеличивается возраст. Области Eden и S1 очищаются.
- Объекты между областями Survivor копируются определенное количество раз (пока не переживут определенное количество Minor GC) или пока там достаточно места. Затем эти объекты копируются в область Old.
- Major GC. При Major GC этапы mark и sweep выполняются для Old Generation. Major GC работает медленнее по сравнению с Minor GC, поскольку старое поколение в основном состоит из живых объектов.
Преимущества использования поколений
Minor GC происходит в меньшей части кучи (~ 2/3 от кучи). Этап маркировки эффективен, потому что область небольшая и состоит в основном из мертвых объектов.
Недостатки использования поколений
В каждый момент времени одно из пространств Survivor (S0 или S1) пустое и не используется.
Сборка мусора: флаги
В этом разделе приведены некоторые важные флаги, которые можно использовать для настройки процесса сборки мусора.
Флаг
Описание
Сборщик мусора Garbage Collection
Чтобы понять, как работает сборщик мусора Garbage Collection, необходимо иметь представление о распределении памяти в JVM (Java Virtual Machine). Данная статья не претендует на то, чтобы покрыть весь объем знаний о распределении памяти в JVM и описании Garbage Collection, поскольку он слишком огромен. Да, к тому же, об этом достаточно информации уже имеется в Сети, чтобы желающие могли докапаться до ее глубин. Но, думаю, данной статьи будет достаточно, чтобы иметь представление о том, как JVM работает с памятью java-приложения.
Респределение памяти в JVM
Для рассмотрения вопроса распределения памяти JVM будем использовать широко распространенную виртуальную машину для Windows от Oracle HotSpot JVM (раньше был от Sun). Другие виртуальные машины (из комплекта WebLogic или open source JVM из Linux) работают с памятью по похожей на HotSpot схеме. Возможности адресации памяти, предоставляемые архитектурой ОС, зависят от разрядности процессора, определяющего общий диапазон емкости памяти. Так, например, 32-х разрядный процессор обеспечивает диапазон адресации 2 32 , то есть 4 ГБ. Диапазон адресации для 64-разрядного процессора (2 64 ) составляет 16 экзабайт.
Разделение памяти JVM
Память процесса делится на Stack (стек) и Heap (куча) и включает 5 областей :
- Stack
- Permanent Generation — используемая JVM память для хранения метаинформации; классы, методы и т.п.
- Code Cache — используемая JVM память при включенной JIT-компиляции; в этой области памяти кешируется скомпилированный платформенно-зависимый код.
- Eden Space — в этой области выделяется память под все создаваемые программой объекты. Жизненный цикл большей части объектов, к которым относятся итераторы, объекты внутри методов и т.п., недолгий.
- Survivor Space — здесь хранятся перемещенные из Eden Space объекты после первой сборки мусора. Объекты, пережившие несколько сборок мусора, перемещаются в следующую сборку Tenured Generation.
- Tenured Generation хранит долгоживущие объекты. Когда данная область памяти заполняется, выполняется полная сборка мусора (full, major collection).
Permanent Generation
Область памяти Permanent Generation используется виртуальной машиной JVM для хранения необходимых для управления программой данных, в том числе метаданные о созданных объектах. При каждом создании объекта JVM будет сохранять некоторый набор данных об объекте в области Permanent Generation. Соответственно, чем больше создается в программе объектов, тем больше требуется «пространства» в Permanent Generation.
Размер Permanent Generation можно задать двумя параметрами виртуальной машины JVM :
- -XX:PermSize – минимальный размер выделяемой памяти для Permanent Generation;
- -XX:MaxPermSize – максимальный размер выделяемой памяти для Permanent Generation.
Для «больших» Java-приложений можно при запуске определить одинаковые значения данных параметров, чтобы Permanent Generation была создана с максимальным размером. Это может увеличить производительность, поскольку динамическое изменение размера Permanent Generation является «дорогостоящей» (трудоёмкой) операцией. Определение одинаковых значений этих параметров может избавить JVM от выполнения дополнительных операций, связанных с проверкой необходимости изменения размера Permanent Generation.
Область памяти Heap
Куча Heap является основным сегментом памяти, где хранятся создаваемые объекты. Heap делится на два подсегмента : Tenured (Old) Generation и New Generation. New Generation в свою очередь делится на Eden Space и Survivor.
При создании нового объекта, когда используется оператор ‘new’, например byte[] data = new byte[1024], этот объект создаётся в сегменте Eden Space. Кроме, собственно данных для массива байт, создается также ссылка (указатель) на эти данные. Если места в сегменте Eden Space уже нет, то JVM выполняет сборку мусора. При сборке мусора объекты, на которые имеются ссылки, не удаляются, а перемещаются из одной области в другую. Так, объекты со ссылками перемещаются из Eden Space в Survivor Space, а объекты без ссылок удаляются.
Если количество используемой Eden Space памяти превышает некоторый заданный объем, то Garbage Collection может выполнить быструю (minor collection) сборку мусора. По сравнению с полной сборкой мусора данный процесс занимает немного времени, и затрагивает только область Eden Space — устаревшие объекты без ссылок удаляются, а выжившие перемещаются в область Survivor Space.
Размер сегмента Heap можно определить двумя параметрами : Xms (минимум) и -Xmx (максимум).
В чем отличие между сегментами Stack и Heap?
- Heap (куча) используется всеми частями приложения, а Stack используется только одним потоком исполнения программы.
- Новый объект создается в Heap, а в памяти Stack’a размещается ссылка на него. В памяти стека также размещаются локальные переменные примитивных типов.
- Объекты в куче доступны из любого места программы, в то время, как стековая память не доступна для других потоков.
- Если память стека полностью занята, то Java Runtime вызывает исключение java.lang.StackOverflowError, а если память кучи заполнена, то вызывается исключение java.lang.OutOfMemoryError: Java Heap Space.
- Размер памяти стека, как правило, намного меньше памяти в куче. Из-за простоты распределения памяти (LIFO), стековая память работает намного быстрее кучи.
Garbage Collector
Сборщик мусора Garbage Collector выполняет всего две задачи, связанные с поиском мусора и его очисткой. Для обнаружения мусора существует два подхода :
- Reference counting – учет ссылок;
- Tracing – трассировка.
Reference counting
Суть подхода «Reference counting» связана с тем, что каждый объект имеет счетчик, который хранит информацию о количестве указывающих на него ссылок. При уничтожении ссылки счетчик уменьшается. При нулевом значении счетчика объект можно считать мусором.
Главным недостатком данного подхода является сложность обеспечения точности счетчика и «невозможность» выявлять циклические зависимости. Так, например, два объекта могут ссылаться друг на друга, но ни на один из них нет внешней ссылки. Это сопровождается утечками памяти. В этой связи данный подход не получил распространения.
Tracing
Главная идея «Tracing» связана с тем, что до «живого» объекта можно добраться из корневых точек (GC Root). Всё, что доступно из «живого» объекта, также является «живым». Если представить все объекты и ссылки между ними как дерево, то необходимо пройти от корневых узлов GC Roots по всем узлам. При этом узлы, до которых нельзя добраться, являются мусором.
Данный подход, обеспечивающий выявление циклических ссылок, используется в виртуальной машине HotSpot VM. Теперь, осталось понять, а что представляет из себя корневая точка (GC Root)? «Источники» говорят, что существуют следующие типы корневых точек :
- Основной Java поток.
- Локальные переменные в основном методе.
- Статические переменные основного класса.
Таким образом, простое java-приложение будет иметь следующие корневые точки:
- Параметры main метода и локальные переменные внутри main метода.
- Поток, который выполняет main.
- Статические переменные основного класса, внутри которого находится main метод.
Очистка памяти
Имеется несколько подходов к очистке памяти, которые в совокупности определяют принцип функционирования Garbage Collection.
Copying collectors
При использовании «Copying collectors» область памяти делится на две части : в одной части размещаются объекты, а вторая часть остается чистой. На время очистки мусора приложение останавливает работу и запускается сборщик мусора, который находит в первой области объекты со ссылками и переносит их во вторую (чистую) область. После этого, первая область очищается от оставшихся там объектов без ссылок, и области меняются местами.
Главным достоинством данного подхода является плотное заполнение памяти. Недостатком «Copying collectors» является необходимость остановки приложения и размеры двух частей памяти должны быть одинаковыми на случай, когда все объекты остаются «живыми».
Данный подход в чистом виде в HotSpot VM не используется.
Mark-and-sweep
При использовании «mark-and-sweep» все объекты размещаются в одном сегменте памяти. Сборка мусора также приостанавливает приложение, и Garbage Collection проходит по дереву объектов, помечая занятые ими области памяти, как «живые». После этого, все не помеченные участки памяти сохраняются в «free list», в которой будут, после завершения сборки мусора, размещаться новые объекты.
К недостаткам данного подхода следует отнести необходимость приостановки приложения. Кроме этого, время сборки мусора, как и время приостановки приложения, зависит от размера памяти. Память становится «решетчатой», и, если не применить «уплотнение», то память будет использоваться неэффективно.
Данный подход также в чистом виде в HotSpot VM не используется.
Generational Garbage Collection
JVM HotSpot использует алгоритм сборки мусора типа «Generational Garbage Collection», который позволяет применять разные модули для разных этапов сборки мусора. Всего в HotSpot реализовано четыре сборщика мусора :
- Serial Garbage Collection
- Parallel Garbage Collection
- CMS Garbage Collection
- G1 Garbage Collection
Serial Garbage Collection относится к одним из первых сборщиков мусора в HotSpot VM. Во время работы этого сборщика приложение приостанавливается и возобновляет работу только после прекращения сборки мусора. В Serial Garbage Collection область памяти делится на две части («young generation» и «old generation»), для которых выполняются два типа сборки мусора :
- minor GC – частый и быстрый c областью памяти «young generation»;
- mark-sweep-compact – редкий и более длительный c областью памяти «old generation».
Область памяти «young generation», представленная на следующем рисунке, разделена на две части, одна из которых Survior также разделена на 2 части (From, To).
Алгоритм работы minor GC
Алгоритм работы minor GC очень похож на описанный выше «Copying collectors». Отличие связано с дополнительным использованием области памяти «Eden». Очистка мусора выполняется в несколько шагов :
- приложение приостанавливается на начало сборки мусора;
- «живые» объекты из Eden перемещаются в область памяти «To»;
- «живые» объекты из «From» перемещаются в «To» или в «old generation», если они достаточно «старые»;
- Eden и «From» очищаются от мусора;
- «To» и «From» меняются местами;
- приложение возобновляет работу.
В результате сборки мусора картинка области памяти изменится и будет выглядеть следующим образом :
Некоторые объекты, пережившие несколько сборок мусора в области From, переносятся в «old generation». Следует, также отметить, что и «большие живые» объекты могут также сразу же пеместиться из области Eden в «old generation» (на картинке не показаны).
Алгоритм работы mark-sweep-compact
Алгоритм «mark-sweep-compact» связяан с очисткой и уплотнением области памяти «old generation».
Принцип работы «mark-sweep-compact» похож на описанный выше «Mark-and-sweep», но добавляется процедура «уплотнения», позволяющая более эффективно использовать память. В процедуре живые объекты перемещаются в начало. Таким образом, мусор остается в конце памяти.
При работе с областью памяти используется механизм «bump-the-pointer», определяющий указатель на начало свободной памяти, в которой размещается создаваемый объект, после чего указатель смещается. В многопоточном приложении используется механизм TLAB (Thread-Local Allocation Buffers), который для каждого потока выделяет определенную область памяти.
Сборка мусора в Java: что это такое и как работает в JVM
Перед началом статьи хочу сказать, что еще больше полезной и нужной информации вы найдете в моём Telegram-канале. Подпишитесь, мне будет очень приятно.
17K открытий
Что такое сборка мусора в Java?Сборка мусора — это процесс восстановления заполненной памяти среды выполнения путем уничтожения неиспользуемых объектов.
В таких языках, как C и C++, программист отвечает как за создание, так и за уничтожение объектов. Иногда программист может забыть уничтожить бесполезные объекты, и выделенная им память не освобождается. Расходуется все больше и больше системной памяти, и в конечном итоге она больше не выделяется. Такие приложения страдают от “утечек памяти”.
После определенного момента памяти уже не хватает для создания новых объектов, и программа нештатно завершается из-за OutOfMemoryErrors.
В C++ для сборки мусора можно воспользоваться методом delete(), а в C — методом free(). В Java сборка мусора происходит автоматически в течение всего времени работы программы. Это устраняет необходимость выделения памяти и, следовательно, позволяет избежать утечек.
Сборка мусора в Java — это процесс, с помощью которого программы Java автоматически управляют памятью. Java-программы компилируются в байт-код, который запускается на виртуальной машине Java (JVM).
Когда Java-программы выполняются на JVM, объекты создаются в куче, которая представляет собой часть памяти, выделенную для них.
Пока Java-приложение работает, в нем создаются и запускаются новые объекты. В конце концов некоторые объекты перестают быть нужны. Можно сказать, что в любой момент времени память кучи состоит из двух типов объектов.
- Живые — эти объекты используются, на них ссылаются откуда-то еще.
- Мертвые — эти объекты больше нигде не используются, ссылок на них нет.
Сборщик мусора находит эти неиспользуемые объекты и удаляет их, чтобы освободить память.
Как разыменовать объект в Java
Основная цель сборки мусора — освободить память кучи, уничтожив объекты, которые не содержат ссылку. Когда на объект нет ссылки, предполагается, что он мертв и больше не нужен. Таким образом, память, занятая объектом, может быть восстановлена.
Есть несколько способов убрать ссылки на объект и сделать его кандидатом на сборку мусора. Вот некоторые из них.
Сделать ссылку нулевой
Student student = new Student(); student = null;
Назначить ссылку другому объектуStudent studentOne = new Student(); Student studentTwo = new Student(); studentOne = studentTwo; // Т
Использовать анонимный объект
register(new Student());
Как работает сборка мусора в Java?Сборка мусора в Java — автоматический процесс. Программисту не нужно явно отмечать объекты, подлежащие удалению.
Сборка мусора производится в JVM. Каждая JVM может реализовать собственную версию сборки мусора. Однако сборщик должен соответствовать стандартной спецификации JVM для работы с объектами, присутствующими в памяти кучи, для маркировки или идентификации недостижимых объектов и их уничтожения через уплотнение.
Каковы источники для сборки мусора в Java?
Сборщики мусора работают с концепцией корней сбора мусора (GC Roots) для идентификации живых и мертвых объектов.
Примеры таких корней.
- Классы, загружаемые системным загрузчиком классов (не пользовательские загрузчики классов).
- Живые потоки.
- Локальные переменные и параметры выполняемых в данный момент методов.
- Локальные переменные и параметры методов JNI.
- Глобальная ссылка на JNI.
- Объекты, применяемые в качестве монитора для синхронизации.
- Объекты, удерживаемые из сборки мусора JVM для своих целей.
Сборщик мусора просматривает весь граф объектов в памяти, начиная с этих корней и следуя ссылкам на другие объекты.
Этапы сборки мусора в Java
Стандартная реализация сборки мусора включает в себя три этапа.
Пометка объектов как живых
На этом этапе GC (сборщик мусора) идентифицирует все живые объекты в памяти путем обхода графа объектов.
Когда GC посещает объект, то помечает его как доступный и, следовательно, живой. Все объекты, недоступные из корней GC, рассматриваются как кандидаты на сбор мусора.
Зачистка мертвых объектов
После фазы разметки пространство памяти занято либо живыми (посещенными), либо мертвыми (не посещенными) объектами. Фаза зачистки освобождает фрагменты памяти, которые содержат эти мертвые объекты.
Компактное расположение оставшихся объектов в памяти
Мертвые объекты, которые были удалены во время предыдущей фазы, не обязательно находились рядом друг с другом. Поэтому вы рискуете получить фрагментированное пространство памяти.
Память можно уплотнить, когда сборщик мусора удалит мертвые объекты. Оставшиеся будут располагаться в непрерывном блоке в начале кучи.
Процесс уплотнения облегчает последовательное выделение памяти для новых объектов.
Что такое сбор мусора по поколениям?
Сборщики мусора в Java реализуют стратегию сбора мусора поколений, которая классифицирует объекты по возрасту.
Необходимость отмечать и уплотнять все объекты в JVM неэффективна. По мере выделения все большего количества объектов их список растет, что приводит к увеличению времени сбора мусора. Эмпирический анализ приложений показал, что большинство объектов в Java недолговечны.
В приведенном выше примере ось Y показывает количество выделенных байтов, а ось X — количество выделенных байтов с течением времени. Как видно, со временем все меньше и меньше объектов сохраняют выделенную память.
Большинство объектов живут очень мало, что соответствует более высоким значениям в левой части графика. Вот почему Java классифицирует объекты по поколениям и выполняет сборку мусора в соответствии с ними.
Область памяти кучи в JVM разделена на три секции:
Молодое поколение
Вновь созданные объекты начинаются в молодом поколении. Молодое поколение далее подразделяется на две категории.
- Пространство Эдема — все новые объекты начинают здесь, и им выделяется начальная память.
- Пространства выживших (FromSpace и ToSpace) — объекты перемещаются сюда из Эдема после того, как пережили один цикл сборки мусора.
Процесс, когда объекты собираются в мусор из молодого поколения, называется малым событием сборки мусора.
Когда пространство Эдема заполнено объектами, выполняется малая сборка мусора. Все мертвые объекты удаляются, а все живые — перемещаются в одно из оставшихся двух пространств. Малая GC также проверяет объекты в пространстве выживших и перемещает их в другое (следующее) пространство выживших.
Возьмем в качестве примера следующую последовательность.
- В Эдеме есть объекты обоих типов (живые и мертвые).
- Происходит малая GC — все мертвые объекты удаляются из Эдема. Все живые объекты перемещаются в пространство-1 (FromSpace). Эдем и пространство-2 теперь пусты.
- Новые объекты создаются и добавляются в Эдем. Некоторые объекты в Эдеме и пространстве-1 становятся мертвыми.
- Происходит малая GC — все мертвые объекты удаляются из Эдема и пространства-1. Все живые объекты перемещаются в пространство-2 (ToSpace). Эдем и пространство-2 снова пусты.
Таким образом, в любое время одно из пространств для выживших всегда пусто. Когда выжившие объекты достигают определенного порога перемещения по пространствам выживших, они переходят в старшее поколение.
Для установки размера молодого поколения можно воспользоваться флагом -Xmn.
Старшее поколение
Объекты-долгожители в конечном итоге переходят из молодого поколения в старшее. Оно также известно как штатное поколение и содержит объекты, которые долгое время оставались в пространствах выживших.
Пороговое значение срока службы объекта определяет, сколько циклов сборки мусора он может пережить, прежде чем будет перемещен в старшее поколение.
Процесс, когда объекты отправляются в мусор из старшего поколения, называется основным событием сборки мусора.
Для установки начального и максимального размера памяти кучи вы можете воспользоваться флагами -Xms и -Xmx.
Поскольку Java задействует сборку мусора по поколениям, то чем больше событий сборки мусора переживает объект, тем дальше он продвигается в куче. Он начинает в молодом поколении и в конечном итоге заканчивает в штатном поколении, если проживет достаточно долго.
Чтобы понять продвижение объектов между пространствами и поколениями, рассмотрим следующий пример.
Когда объект создается, он сначала помещается в пространство Эдема молодого поколения. Как только происходит малая сборка мусора, живые объекты из Эдема перемещаются в пространство FromSpace. Когда происходит следующая малая сборка мусора, живые объекты как из Эдема, так и из пространства перемещаются в пространство ToSpace.
Этот цикл продолжается определенное количество раз. Если объект все еще “в строю” после этого момента, следующий цикл сборки мусора переместит его в пространство старшего поколения.
Постоянное поколение
Метаданные, такие как классы и методы, хранятся в постоянном поколении. JVM заполняет его во время выполнения на основе классов, используемых приложением. Классы, которые больше не используются, могут переходить из постоянного поколения в мусор.
Для установки начального и максимального размера постоянного поколения вы можете воспользоваться флагами -XX:PermGen и -XX:MaxPermGen.
Мета-пространство
Начиная с Java 8, на смену пространству постоянного поколения (PermGen) приходит пространство памяти MetaSpace. Реализация отличается от PermGen — это пространство кучи теперь изменяется автоматически.
Это позволяет избежать проблемы нехватки памяти у приложений, которая возникает из-за ограниченного размера пространства PermGen в куче. Память мета-пространства может быть собрана как мусор, и классы, которые больше не используются, будут автоматически очищены, когда мета-пространство достигнет максимального размера.
Типы сборщиков мусора в виртуальной машине Java
Сборка мусора повышает эффективности памяти в Java, поскольку объекты без ссылок удаляются из памяти кучи и освобождается место для новых объектов.
У виртуальной машины Java есть восемь типов сборщиков мусора. Рассмотрим каждый из них в деталях.
Серийный GC
Это самая простая реализация GC. Она предназначена для небольших приложений, работающих в однопоточных средах. Все события сборки мусора выполняются последовательно в одном потоке. Уплотнение выполняется после каждой сборки мусора.
Запуск сборщика приводит к событию “остановки мира”, когда все приложение приостанавливает работу. Поскольку на время сборки мусора все приложение замораживается, не следует прибегать к такому в реальной жизни, если требуется, чтобы задержки были минимальными.
Аргумент JVM для использования последовательного сборщика мусора -XX:+UseSerialGC.
Параллельный GC
Параллельный сборщик мусора предназначен для приложений со средними и большими наборами данных, которые выполняются на многопроцессорном или многопоточном оборудовании. Это реализация GC по умолчанию, и она также известна как сборщик пропускной способности.
Несколько потоков предназначаются для малой сборки мусора в молодом поколении. Единственный поток занят основной сборкой мусора в старшем поколении.
Запуск параллельного GC также вызывает “остановку мира”, и приложение зависает. Такое больше подходит для многопоточной среды, когда требуется завершить много задач и допустимы длительные паузы, например при выполнении пакетного задания.
Аргумент JVM для использования параллельного сборщика мусора: -XX:+UseParallelGC.
Старый параллельный GC
Это версия Parallel GC по умолчанию, начиная с Java 7u4. Это то же самое, что и параллельный GC, за исключением того, что в нем применяются несколько потоков как для молодого поколения, так и для старшего поколения.
Аргумент JVM для использования старого параллельного сборщика мусора: -XX:+UseParallelOldGC.
CMS (Параллельная пометка и зачистка) GC
Также известен как параллельный сборщик низких пауз. Для малой сборки мусора задействуются несколько потоков, и происходит это через такой же алгоритм, как в параллельном сборщике. Основная сборка мусора многопоточна, как и в старом параллельном GC, но CMS работает одновременно с процессами приложений, чтобы свести к минимуму события “остановки мира”.
Из-за этого сборщик CMS потребляет больше ресурсов процессора, чем другие сборщики. Если у вас есть возможность выделить больше ЦП для повышения производительности, то CMS предпочтительнее, чем простой параллельный сборщик. В CMS GC не выполняется уплотнение.
Аргумент JVM для использования параллельного сборщика мусора с разверткой меток: -XX:+UseConcMarkSweepGC.
G1 (Мусор — первым) GC
G1GC был задуман как замена CMS и разрабатывался для многопоточных приложений, которые характеризуются крупным размером кучи (более 4 ГБ). Он параллелен и конкурентен, как CMS, но “под капотом” работает совершенно иначе, чем старые сборщики мусора.
Хотя G1 также действует по принципу поколений, в нем нет отдельных пространств для молодого и старшего поколений. Вместо этого каждое поколение представляет собой набор областей, что позволяет гибко изменять размер молодого поколения.
G1 разбивает кучу на набор областей одинакового размера (от 1 МБ до 32 МБ — в зависимости от размера кучи) и сканирует их в несколько потоков. Область во время выполнения программы может неоднократно становиться как старой, так и молодой.
После завершения этапа разметки G1 знает, в каких областях содержится больше всего мусора. Если пользователь заинтересован в минимизации пауз, G1 может выбрать только несколько областей. Если время паузы неважно для пользователя или предел этого времени установлен высокий, G1 пройдет по большему числу областей.
Поскольку G1 GC идентифицирует регионы с наибольшим количеством мусора и сначала выполняет сбор мусора в них, он и называется: “Мусор — первым”.
Помимо областей Эдема, Выживших и Старой памяти, в G1GC присутствуют еще два типа.
- Humongous (Огромная) — для объектов большого размера (более 50% размера кучи).
- Available (Доступная) — неиспользуемое или не выделенное пространство.
Аргумент JVM для использования сборщика мусора G1: -XX:+UseG1GC.
Сборщик мусора Эпсилон
Epsilon — сборщик мусора, который был выпущен как часть JDK 11. Он обрабатывает выделение памяти, но не реализует никакого реального механизма восстановления памяти. Как только доступная куча исчерпана, JVM завершает работу.
Его можно задействовать для приложений, чувствительных к сверхвысокой задержке, где разработчики точно знают объем памяти приложения или даже добиваются ситуации (почти) полной свободы от мусора. В противном случае пользоваться Epsilon GC не рекомендуется.
Аргумент JVM для использования сборщика мусора Epsilon: -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseEpsilonGC.
Shenandoah — новый GC, выпущенный как часть JDK 12. Ключевое преимущество Shenandoah перед G1 состоит в том, что большая часть цикла сборки мусора выполняется одновременно с потоками приложений. G1 может эвакуировать области кучи только тогда, когда приложение приостановлено, а Shenandoah перемещает объекты одновременно с приложением.
Shenandoah может компактировать живые объекты, очищать мусор и освобождать оперативную память почти сразу после обнаружения свободной памяти. Поскольку все это происходит одновременно, без приостановки работы приложения, то Shenandoah более интенсивно нагружает процессор.
Аргумент JVM для сборщика мусора Шенандоа: -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC.
ZGC — еще один GC, выпущенный как часть JDK 11 и улучшенный в JDK 12. Он предназначен для приложений, которые требуют низкой задержки (паузы в менее чем 10 мс) и/или задействуют очень большую кучу (несколько терабайт).
Основные цели ZGC — низкая задержка, масштабируемость и простота в применении. Для этого ZGC позволяет Java-приложению продолжать работу, пока выполняются все операции по сбору мусора. По умолчанию ZGC освобождает неиспользуемую память и возвращает ее в операционную систему.
Таким образом, ZGC привносит значительное улучшение по сравнению с другими традиционными GCS, обеспечивая чрезвычайно низкое время паузы (обычно в пределах 2 мс).
Аргумент JVM для использования сборщика мусора ZGC: —XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC.
Примечание: как Shenandoah, так и ZGC планируется вывести из экспериментальной стадии в продакшен при выпуске JDK 15.
Как правильно выбрать сборщик мусора
Если у вашего приложения нет строгих требований ко времени задержки, вам стоит просто запустить приложение и предоставить выбор правильного сборщика самой JVM.
В большинстве случаев настройки по умолчанию отлично работают. При необходимости можно настроить размер кучи для повышения производительности. Если производительность по-прежнему не соответствует ожиданиям, попробуйте изменить сборщик в соответствии с требованиями вашего приложения.
- Последовательный. Если в приложении небольшой набор данных (примерно до 100 МБ), и/или оно будет работать на одном процессоре без каких-либо требований к времени задержки.
- Параллельный. Если приоритет — пиковая производительность приложения, и требования к времени задержки отсутствуют (или допустимы паузы в одну секунду и более).
- CMS/G1. Если время отклика важнее, чем общая пропускная способность, и паузы при сборке мусора должны быть короче одной секунды.
- ZGC. Если у времени отклика высокий приоритет и/или задействована очень большая куча.
Преимущества сборки мусора
У сборки мусора в Java множество преимуществ.
Прежде всего, это упрощает код. Не нужно беспокоиться о правильном назначении памяти и циклах высвобождения. Вы просто прекращаете использовать объект в коде, и память, которую он занимал, в какой-то момент автоматически восстановится.
Программистам, работающим на языках без сборки мусора (таких как C и C++), приходится реализовывать ручное управление памятью у себя в коде.
Также повышается эффективность памяти Java, поскольку сборщик мусора удаляет из памяти кучи объекты без ссылок. Это освобождает память кучи для размещения новых объектов.
Некоторые программисты выступают за ручное управление памятью вместо сборки мусора, но сборка мусора — уже стандартный компонент многих популярных языков программирования.
Для сценариев, когда сборщик мусора негативно влияет на производительность, Java предлагает множество вариантов настройки, повышающих эффективность GC.
Рекомендации по сбору мусора
Избегайте ручных триггеровПомимо основных механизмов сборки мусора, один из важнейших моментов относительно этого процесса в Java — недетерминированность. То есть невозможно предсказать, когда именно во время выполнения она произойдет.
С помощью методов System.gc() или Runtime.gc() можно включить в код подсказку для запуска сборщика мусора, но это не гарантирует, что он действительно запустится.
Пользуйтесь инструментами для анализа
Если у вас недостаточно памяти для запуска приложения, вы столкнетесь с замедлениями, длительным временем сбора мусора, событиями “остановки мира” и, в конечном итоге, ошибками из-за нехватки памяти. Возможно, это указывает, что куча слишком мала, но также может и значить, что в приложении произошла утечка памяти.
Вы можете прибегнуть к помощи инструмента мониторинга, например jstat или Java Flight Recorder, и увидеть, растет ли использование кучи бесконечно, что может указывать на ошибку в коде.
Отдавайте предпочтение настройкам по умолчанию
Если у вас небольшое автономное Java-приложение, вам, скорее всего, не понадобится настраивать сборку мусора. Настройки по умолчанию отлично вам послужат.
Пользуйтесь флагами JVM для настройки
Лучший подход к настройке сборки мусора в Java — установка JVM-флагов. С помощью флагов можно задать сборщик мусора (например, Serial, G1 и т.д.), начальный и максимальный размер кучи, размер разделов кучи (например, Молодого поколения, Старшего поколения) и многое другое.
Выбирайте сборщик правильно
Хороший ориентир в плане начальных настроек — характер настраиваемого приложения. К примеру, параллельный сборщик мусора эффективен, но часто вызывает события “остановки мира”, что делает его более подходящим для внутренней обработки, где допустимы длительные паузы.
С другой стороны, сборщик мусора CMS предназначен для минимизации задержек, а значит идеально подходит для веб-приложений, где важна скорость реагирования.
В этой статье мы обсудили сборку мусора Java, механизм ее работы и ее типы.
Для многих простых Java-приложений программисту нет необходимости сознательно отслеживать сборку мусора. Однако тем, кто хочет развить навыки работы с Java, важно понимать, как происходит данный процесс.
Это также очень популярный вопрос на собеседованиях: как на миддл-, так и на сеньор-позиции в бэкенд-разработке.