@JVM新一代的垃圾回收算法

时间:2022-10-27 09:00:32

垃圾回收的瓶颈

  传统分代垃圾回收方式,已经在一定程度上把垃圾回收给应用带来的负担降到了最小,把应用的吞吐量推到了一个极限。但是他无法解决的一个问题,就是Full GC所带来的应用暂停。在一些对实时性要求很高的应用场景下,GC暂停所带来的请求堆积和请求失败是无法接受的。这类应用可能要求请求的返回时间在几百甚 至几十毫秒以内,如果分代垃圾回收方式要达到这个指标,只能把最大堆的设置限制在一个相对较小范围内,但是这样有限制了应用本身的处理能力,同样也是不可 接收的。

  分代垃圾回收方式确实也考虑了实时性要求而提供了并发回收器,支持最大暂停时间的设置,但是受限于分代垃圾回收的内存划分模型,其效果也不是很理想。

  为了达到实时性的要求(其实Java语言最初的设计也是在嵌入式系统上的),一种新垃圾回收方式呼之欲出,它既支持短的暂停时间,又支持大的内存空间分配。可以很好的解决传统分代方式带来的问题。

增量收集的演进

  增量收集的方式在理论上可以解决传统分代方式带来的问题。增量收集把对堆空间划分成一系列内存块,使用时,先使用其中一部分(不会全部用完),垃圾收集时 把之前用掉的部分中的存活对象再放到后面没有用的空间中,这样可以实现一直边使用边收集的效果,避免了传统分代方式整个使用完了再暂停的回收的情况。

  当然,传统分代收集方式也提供了并发收集,但是他有一个很致命的地方,就是把整个堆做为一个内存块,这样一方面会造成碎片(无法压缩),另一方面他的每次 收集都是对整个堆的收集,无法进行选择,在暂停时间的控制上还是很弱。而增量方式,通过内存空间的分块,恰恰可以解决上面问题。

Garbage Firest(G1)

目标

从设计目标看G1完全是为了大型应用而准备的。

支持很大的堆

高吞吐量

--支持多CPU和垃圾回收线程

--在主线程暂停的情况下,使用并行收集

--在主线程运行的情况下,使用并发收集

实时目标: 可配置在N毫秒内最多只占用M毫秒的时间进行垃圾回收

当然G1要达到实时性的要求,相对传统的分代回收算法,在性能上会有一些损失。

算法详解

@JVM新一代的垃圾回收算法

  G1可谓博采众家之长,力求到达一种完美。他吸取了增量收集优点,把整个堆划分为一个一个等大小的区域(region)。内存的回收和划分都以 region为单位;同时,他也吸取了CMS的特点,把这个垃圾回收过程分为几个阶段,分散一个垃圾回收过程;而且,G1也认同分代垃圾回收的思想,认为 不同对象的生命周期不同,可以采取不同收集方式,因此,它也支持分代的垃圾回收。为了达到对回收时间的可预计性,G1在扫描了region以后,对其中的 活跃对象的大小进行排序,首先会收集那些活跃对象小的region,以便快速回收空间(要复制的活跃对象少了),因为活跃对象小,里面可以认为多数都是垃 圾,所以这种方式被称为Garbage First(G1)的垃圾回收算法,即:垃圾优先的回收。

回收步骤:

初始标记(Initial Marking)

  G1对于每个region都保存了两个标识用的bitmap,一个为previous marking bitmap,一个为next marking bitmap,bitmap中包含了一个bit的地址信息来指向对象的起始点。

  开始Initial Marking之前,首先并发的清空next marking bitmap,然后停止所有应用线程,并扫描标识出每个region中root可直接访问到的对象,将region中top的值放入next top at mark start(TAMS)中,之后恢复所有应用线程。

  触发这个步骤执行的条件为:

G1定义了一个JVM Heap大小的百分比的阀值,称为h,另外还有一个H,H的值为(1-h)*Heap Size,目前这个h的值是固定的,后续G1也许会将其改为动态的,根据jvm的运行情况来动态的调整,在分代方式下,G1还定义了一个u以及soft limit,soft limit的值为H-u*Heap Size,当Heap中使用的内存超过了soft limit值时,就会在一次clean up执行完毕后在应用允许的GC暂停时间范围内尽快的执行此步骤;

在pure方式下,G1将marking与clean up组成一个环,以便clean up能充分的使用marking的信息,当clean up开始回收时,首先回收能够带来最多内存空间的regions,当经过多次的clean up,回收到没多少空间的regions时,G1重新初始化一个新的marking与clean up构成的环。

并发标记(Concurrent Marking)

  按照之前Initial Marking扫描到的对象进行遍历,以识别这些对象的下层对象的活跃状态,对于在此期间应用线程并发修改的对象的以来关系则记录到remembered set logs中,新创建的对象则放入比top值更高的地址区间中,这些新创建的对象默认状态即为活跃的,同时修改top值。

最终标记暂停(Final Marking Pause)

  当应用线程的remembered set logs未满时,是不会放入filled RS buffers中的,在这样的情况下,这些remebered set logs中记录的card的修改就会被更新了,因此需要这一步,这一步要做的就是把应用线程中存在的remembered set logs的内容进行处理,并相应的修改remembered sets,这一步需要暂停应用,并行的运行。

存活对象计算及清除(Live Data Counting and Cleanup)

  值得注意的是,在G1中,并不是说Final Marking Pause执行完了,就肯定执行Cleanup这步的,由于这步需要暂停应用,G1为了能够达到准实时的要求,需要根据用户指定的最大的GC造成的暂停时间来合理的规划什么时候执行Cleanup,另外还有几种情况也是会触发这个步骤的执行的:

  G1采用的是复制方法来进行收集,必须保证每次的"to space"的空间都是够的,因此G1采取的策略是当已经使用的内存空间达到了H时,就执行Cleanup这个步骤;

  对于full-young和partially-young的分代模式的G1而言,则还有情况会触发Cleanup的执行,full-young模式下,G1根据应用可接受的暂停时间、回收young regions需要消耗的时间来估算出一个yound regions的数量值,当JVM中分配对象的young regions的数量达到此值时,Cleanup就会执行;partially-young模式下,则会尽量频繁的在应用可接受的暂停时间范围内执行Cleanup,并最大限度的去执行non-young regions的Cleanup。