摘要：本文是成為專家系列的第一篇。然而，在多線程環(huán)境下，將會(huì)有別樣的狀況。在中正是通過解決了多線程問題。在最后的并發(fā)清理階段，垃圾回收過程被真正執(zhí)行。在垃圾回收?qǐng)?zhí)行過程中，其他線程依然在執(zhí)行。

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了解Java的垃圾回收(GC)原理能給我們帶來什么好處？對(duì)于軟件工程師來說，滿足技術(shù)好奇心可算是一個(gè)，但重要的是理解GC能幫忙我們更好的編寫Java應(yīng)用程序。

上面是我個(gè)人的主觀的看法，但我相信熟練掌握GC是成為優(yōu)秀Java程序員的必備技能。如果你對(duì)GC執(zhí)行過程感興趣，也許你只是有一定的開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)；如果你仔細(xì)考慮過如何選擇合適的GC算法，說明你對(duì)你所開發(fā)的程序有了全面的了解。當(dāng)然這對(duì)一個(gè)優(yōu)秀的程序員來說未必是一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，但很少人會(huì)反對(duì)我關(guān)于"理解GC是作為優(yōu)秀Java程序員的必備技能"的看法。

本文是成為Java GC專家系列的第一篇。我將先對(duì)GC做一下基本的概述，在下一篇文章中，我將講述如何分析GC狀態(tài)以及通過[NHN]()的案例介紹GC調(diào)優(yōu)相關(guān)的內(nèi)容。

本文的目的是以通俗的方式為你介紹GC概念。我希望本文會(huì)對(duì)你有所幫助。事實(shí)上，我的同事們已經(jīng)發(fā)表了一些在Twitter上非常受關(guān)注的優(yōu)秀文章，你同樣也可以拿來參考。

回到垃圾回收上，在開始學(xué)習(xí)GC之前你應(yīng)該知道一個(gè)詞：stop-the-world。不管選擇哪種GC算法，stop-the-world都是不可避免的。Stop-the-world意味著從應(yīng)用中停下來并進(jìn)入到GC執(zhí)行過程中去。一旦Stop-the-world發(fā)生，除了GC所需的線程外，其他線程都將停止工作，中斷了的線程直到GC任務(wù)結(jié)束才繼續(xù)它們的任務(wù)。GC調(diào)優(yōu)通常就是為了改善stop-the-world的時(shí)間。

在Java程序里不需要顯式的分配和釋放內(nèi)存。有些人通過給對(duì)象賦值為null或調(diào)用System.gc()以期望顯式的釋放內(nèi)存空間。給對(duì)象設(shè)置null雖沒什么用，但問題不會(huì)太大；如果調(diào)用了System.gc()卻可能會(huì)為系統(tǒng)性能帶來嚴(yán)重的波動(dòng)，即便調(diào)用System.gc()系統(tǒng)也未必立即響應(yīng)去執(zhí)行垃圾回收。(所幸的是，在NHN未曾看到有工程師這么做。)

在使用Java時(shí)，程序員不需要在程序代碼中顯式的釋放內(nèi)存空間，垃圾回收器會(huì)幫你找到不再需要的(垃圾)對(duì)象并把他們移出。垃圾回收器的創(chuàng)建基于以下兩個(gè)假設(shè)(也許稱之為推論或前提更合適)：

大多數(shù)對(duì)象的很快就會(huì)變得不可達(dá)

只有極少數(shù)情況會(huì)出現(xiàn)舊對(duì)象持有新對(duì)象的引用

這兩條假設(shè)被稱為"弱分代假設(shè)"。為了證明此假設(shè)，在HotSpot VM中物理內(nèi)存空間被劃分為兩部分：新生代(young generate)和老年代(old generation)。

新生代：大部分的新創(chuàng)建對(duì)象分配在新生代。因?yàn)榇蟛糠謱?duì)象很快就會(huì)變得不可達(dá)，所以它們被分配在新生代，然后消失不再。當(dāng)對(duì)象從新生代移除時(shí)，我們稱之為"minor GC"。

老年代：存活在新生代中但未變?yōu)椴豢蛇_(dá)的對(duì)象會(huì)被復(fù)制到老年代。一般來說老年代的內(nèi)存空間比新生代大，所以在老年代GC發(fā)生的頻率較新生代低一些。當(dāng)對(duì)象從老年代被移除時(shí)，我們稱之為"major GC"(或者full GC)。

看一下下圖的示意：

圖1：GC區(qū)域和數(shù)據(jù)流向

圖中的permanent generation稱為方法區(qū)，其中存儲(chǔ)著類和接口的元信息以及interned的字符串信息。所以這一區(qū)域并不是為老年代中存活下來的對(duì)象所定義的持久區(qū)。方法區(qū)中也會(huì)發(fā)生GC，這里的GC同樣也被稱為major GC。

有些人可能認(rèn)為：

如果老年代的對(duì)象需要持有新生代對(duì)象的引用怎么辦?

為了處理這種場(chǎng)景，在老年代中設(shè)計(jì)了"索引表(card table)"，是一個(gè)512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊。不管何時(shí)老年代需要持有新生代對(duì)象的引用時(shí)，都會(huì)記錄到此表中。當(dāng)新生代中需要執(zhí)行GC時(shí)，通過搜索此表決定新生代的對(duì)象是否為GC的目標(biāo)對(duì)象，從而降低遍歷所有老年代對(duì)象進(jìn)行檢查的代價(jià)。該索引表使用寫柵欄(write barrier)進(jìn)行管理。wite barrier是一個(gè)允許高性能執(zhí)行minor GC的設(shè)備。盡管它會(huì)引入一定的開銷，卻能帶來總體GC時(shí)間的大幅降低。

圖2：索引表結(jié)構(gòu)

為了深入理解GC，我們先從新生代開始學(xué)起。所有的對(duì)象在初始創(chuàng)建時(shí)都會(huì)被分配在新生代中。新生代又可分為三個(gè)部分：

一個(gè)Eden區(qū)

兩個(gè)Survivor區(qū)

在三個(gè)區(qū)域中有兩個(gè)是Survivor區(qū)。對(duì)象在三個(gè)區(qū)域中的存活過程如下：

大多數(shù)新生對(duì)象都被分配在Eden區(qū)。

第一次GC過后Eden中還存活的對(duì)象被移到其中一個(gè)Survivor區(qū)。

再次GC過程中，Eden中還存活的對(duì)象會(huì)被移到之前已移入對(duì)象的Survivor區(qū)。

一旦該Survivor區(qū)域無空間可用時(shí)，還存活的對(duì)象會(huì)從當(dāng)前Survivor區(qū)移到另一個(gè)空的Survivor區(qū)。而當(dāng)前Survivor區(qū)就會(huì)再次置為空狀態(tài)。

經(jīng)過數(shù)次在兩個(gè)Survivor區(qū)域移動(dòng)后還存活的對(duì)象最后會(huì)被移動(dòng)到老年代。

如上所述，兩個(gè)Survivor區(qū)域在任何時(shí)候必定有一個(gè)保持空白。如果同時(shí)有數(shù)據(jù)存在于兩個(gè)Survivor區(qū)或者兩個(gè)區(qū)域的的使用量都是0，則意味著你的系統(tǒng)可能出現(xiàn)了運(yùn)行錯(cuò)誤。

下圖向你展示了經(jīng)過minor GC把數(shù)據(jù)遷移到老年代的過程：

圖3: GC前后

在HotSpot VM中，使用了兩項(xiàng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更快的內(nèi)存分配："指針碰撞(bump-the-pointer)"和"TLABs(Thread-Local Allocation Buffers)"。

Bump-the-pointer技術(shù)會(huì)跟蹤在Eden上新創(chuàng)建的對(duì)象。由于新對(duì)象被分配在Eden空間的最上面，所以后續(xù)如果有新對(duì)象創(chuàng)建，只需要判斷新創(chuàng)建對(duì)象的大小是否滿足剩余的Eden空間。如果新對(duì)象滿足要求，則其會(huì)被分配到Eden空間，同樣位于Eden的最上面。所以當(dāng)有新對(duì)象創(chuàng)建時(shí)，只需要判斷此新對(duì)象的大小即可，因此具有更快的內(nèi)存分配速度。然而，在多線程環(huán)境下，將會(huì)有別樣的狀況。為了滿足多個(gè)線程在Eden空間上創(chuàng)建對(duì)象時(shí)的線程安全，不可避免的會(huì)引入鎖，因此隨著鎖競(jìng)爭(zhēng)的開銷，創(chuàng)建對(duì)象的性能也大打折扣。在HotSpot中正是通過TLABs解決了多線程問題。TLABs允許每個(gè)線程在Eden上有自己的小片空間，線程只能訪問其自己的TLAB區(qū)域，因此bump-the-pointer能通過TLAB在不加鎖的情況下完成快速的內(nèi)存分配。

本小節(jié)快速瀏覽了新生代上的GC知識(shí)。上面講的兩項(xiàng)技術(shù)無需刻意記憶，只需要明白對(duì)象開始是創(chuàng)建在Eden區(qū)，然后經(jīng)過在Survivor區(qū)域上的數(shù)次轉(zhuǎn)移而存活下來的長(zhǎng)壽對(duì)象最后會(huì)被移到老年代。

當(dāng)老年代數(shù)據(jù)滿時(shí)，便會(huì)執(zhí)行老年代垃圾回收。根據(jù)GC算法的不同其執(zhí)行過程也會(huì)有所區(qū)別，所以當(dāng)你了解了每種GC的特點(diǎn)后再來理解老年代的垃圾回收就會(huì)容易很多。

在JDK 7中，內(nèi)置了5種GC類型：

Serial GC

Parallel GC

Parallel Old GC(Parallel Compacting GC)

Concurrent Mark & Sweep GC (or "CMS")

Garbage First (G1) GC

其中Serial GC務(wù)必不要在生產(chǎn)環(huán)境的服務(wù)器上使用，這種GC是為單核CPU上的桌面應(yīng)用設(shè)計(jì)的。使用Serial GC會(huì)明顯的損耗應(yīng)用的性能。

下面分別介紹每種GC的特性。

在前面介紹的年輕代垃圾回收中使用了這種類型的GC。在老年代，則使用了一種稱之為"mark-sweep-compact"的算法。

首先該算法需要在老年代中標(biāo)記出存活著的對(duì)象

然后從前到后檢查堆空間中存活的對(duì)象，并保持位置不變(把不再存活的對(duì)象清理出堆空間，稱為空間清理)

最后，把存活的對(duì)象移到堆空間的前面部分以保持已使用的堆空間的連續(xù)性，從而把堆空間分為兩部分：有對(duì)象的和無對(duì)象的(稱為空間壓縮)

Serial GC適用于CPU核數(shù)較少且使用的內(nèi)存空間較小的場(chǎng)景。

圖4：Serial GC與Parallel GC的區(qū)別

圖中可以容易的看出serial GC與parallel GC的區(qū)別。Serial GC使用單一線程執(zhí)行GC，而parallel GC則使用多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行，因此parallel GC 較serial GC具有更快的速度。Parallel GC適用于多核CPU且使用了較大內(nèi)存空間的場(chǎng)景。Parallel GC又被稱為"高吞吐GC(throughput GC)"

Parallel Old GC在JDK 5中被引入，與Parallel GC相比唯一的區(qū)別在于Parallel的GC算法是為老年代設(shè)計(jì)的。它的執(zhí)行過程分為三步：標(biāo)記(mark)--總結(jié)(summary)--壓縮(compaction)。其中summary步驟會(huì)會(huì)分別為存活的對(duì)象在已執(zhí)行過GC的空間上標(biāo)出位置，因此與mark-sweep-compact算法中的sweep步驟有所區(qū)別，并需要一些復(fù)雜步驟才能完成。

圖5：Serial GC與CMS GC

從圖上可看出并發(fā)標(biāo)記-清理(Concurrent Mark-Sweep) GC比以后上其他GC都要復(fù)雜。開始時(shí)的初始標(biāo)記(initial mark)比較簡(jiǎn)單，只有靠近類加載器的存活對(duì)象會(huì)被標(biāo)記，因此停頓時(shí)間(stop-the-world)比較短暫。在并發(fā)標(biāo)記(concurrent mark)階段，由剛被確認(rèn)和標(biāo)記過的存活對(duì)象所關(guān)聯(lián)的對(duì)象將被會(huì)跟蹤和檢測(cè)存活狀態(tài)。此步驟的不同之處在于有多個(gè)線程并行處理此過程。在重標(biāo)記(remark)階段，由并發(fā)標(biāo)記所關(guān)聯(lián)的新增或中止的對(duì)象瘵被會(huì)檢測(cè)。在最后的并發(fā)清理(concurrent sweep)階段，垃圾回收過程被真正執(zhí)行。在垃圾回收?qǐng)?zhí)行過程中，其他線程依然在執(zhí)行。得益于CMS GC的執(zhí)行方式，在GC期間系統(tǒng)中斷時(shí)間非常短暫。CMS GC也被稱為低延遲GC，適用于所有應(yīng)用對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)景。

CMS GC雖然具有中斷時(shí)間斷的優(yōu)勢(shì)，其缺點(diǎn)也比較明顯：

與其他GC相比，CMS GC要求更多的內(nèi)存空間和CPU資源

CMS GC默認(rèn)不提供內(nèi)存壓縮

使用CMS GC之前需要對(duì)系統(tǒng)做全面的分析。另外為了避免過多的內(nèi)存碎片而需要執(zhí)行壓縮任務(wù)時(shí)，CMS GC會(huì)比任何其他GC帶來更多的stop-the-world時(shí)間，所以你需要分析和判斷壓縮任務(wù)執(zhí)行的頻率及其耗時(shí)情況。

最后我們學(xué)習(xí)有關(guān)G1垃圾回收的介紹。

圖6：G1 GC的布局

如果你想清晰的理解GC，請(qǐng)先忘記上面介紹的有關(guān)新生代和老年代的知識(shí)。如上圖所示，每個(gè)對(duì)象在創(chuàng)建時(shí)會(huì)分析到一個(gè)格子中，后續(xù)的GC也是在格子中完成的。每當(dāng)一個(gè)區(qū)域分配滿對(duì)象后，新創(chuàng)建的對(duì)象就會(huì)分配到另外一個(gè)區(qū)域，并開始執(zhí)行GC。在這種GC中不會(huì)出現(xiàn)其他GC中的對(duì)象在新生代和老生代三區(qū)域中移動(dòng)的現(xiàn)象。G1是為了取代在長(zhǎng)期使用中暴露出大量問題且飽受抱怨的CMS GC。

G1最大的改進(jìn)在于其性能表現(xiàn)，它比以上任何一種GC都更快速。它在JDK6中以早期版本的形式釋放出來以用于測(cè)試，它真正的發(fā)布是在JDK7中。我個(gè)人認(rèn)為在NHN真正在生產(chǎn)環(huán)境使用JDK7至少還需要1年的測(cè)試時(shí)間，所以還需要等待一段時(shí)間。并且我聽說在JDK6中使用G1偶爾會(huì)出現(xiàn)JVM崩潰現(xiàn)象。所以穩(wěn)定版尚需時(shí)日。

接下來的文章中會(huì)講解GC調(diào)優(yōu)，但我想先提一個(gè)問題。如果應(yīng)用中所有對(duì)象的類型和大小都是一樣的，WAS上使用的GC可以設(shè)置相同的GC選項(xiàng)。如果在WAS上創(chuàng)建的對(duì)象的大小和生命周期各不相同的對(duì)象，配置的GC選項(xiàng)也各不相同。換名話說，不能因?yàn)橐粋€(gè)服務(wù)使用了GC選項(xiàng)"A"，其他的不同服務(wù)使用相同的選項(xiàng)"A"也能獲取最好的表現(xiàn)。所以為了找到WAS線程的最佳值，每個(gè)WAS實(shí)例需要通過持續(xù)的調(diào)優(yōu)和監(jiān)控以便找到最優(yōu)的配置和GC優(yōu)項(xiàng)。這不只是來自我的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，而是來自于JavaOne 2010上工程師們對(duì)于Oracle JVM討論后的一致看法。

本節(jié)我們只簡(jiǎn)單介紹Java中的GC基礎(chǔ)。下一章節(jié)，我將會(huì)討論關(guān)于如何監(jiān)控GC狀態(tài)以及如何做性能調(diào)優(yōu)。

本文參考了2011年12月出版的《Java 性能》和Oracle網(wǎng)站上提供的白皮書《Java HotspotTM 虛擬機(jī)內(nèi)存管理》。
作者：Sangmin Lee, 性能實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師，NHN公司