「译文」Java 垃圾收集参考手册(三):GC 算法基础篇

简介: 「译文」Java 垃圾收集参考手册(三):GC 算法基础篇

相关术语翻译说明:

Mark, 标记;

Sweep, 清除;

Compact, 整理; 也有人翻译为压缩, 译者认为 GC 时不存在压缩这回事。

Copy, 复制; copy 用作名词时一般翻译为拷贝 / 副本, 用作动词时翻译为复制。

注: 《垃圾回收算法手册 》将 Mark and Sweep 翻译为: 标记 - 清扫 算法; 译者认为 标记 - 清除 更容易理解。

GC 算法基础

您应该已经阅读了前面的章节。

本章简要介绍 GC 的基本原理和相关技术, 下一章节 再详细讲解 GC 算法的具体实现。各种垃圾收集器的实现细节虽然并不相同, 但总体而言, 垃圾收集器都专注于两件事情:

  • 查找所有存活对象
  • 抛弃其他的部分, 即死对象, 不再使用的对象。

第一步, 记录 (census) 所有的存活对象, 在垃圾收集中有一个叫做 标记(Marking) 的过程专门干这件事。

标记可达对象(Marking Reachable Objects)

现代 JVM 中所有的 GC 算法, 第一步都是找出所有存活的对象。下面的示意图对此做了最好的诠释:

03_01_Java-GC-mark-and-sweep.png

首先, 有一些特定的对象被指定为 Garbage Collection Roots(GC 根元素)。包括:

  • 当前正在执行的方法里的局部变量和输入参数
  • 活动线程(Active threads)
  • 内存中所有类的静态字段(static field)
  • JNI 引用

其次, GC 遍历 (traverses) 内存中整体的对象关系图(object graph), 从 GC 根元素开始扫描, 到直接引用,以及其他对象(通过对象的属性域)。所有 GC 访问到的对象都被 ** 标记(marked)** 为存活对象。

存活对象在上图中用蓝色表示。标记阶段完成后, 所有存活对象都被标记了。而其他对象 (上图中灰色的数据结构) 就是从 GC 根元素不可达的, 也就是说程序不能再使用这些不可达的对象(unreachable object)。这样的对象被认为是垃圾, GC 会在接下来的阶段中清除他们。

在标记阶段有几个需要注意的点:

在标记阶段, 需要暂停所有应用线程, 以遍历所有对象的引用关系。因为不暂停就没法跟踪一直在变化的引用关系图。这种情景叫做 Stop The World pause (全线停顿), 而可以安全地暂停线程的点叫做安全点(safe point), 然后, JVM 就可以专心执行清理工作。安全点可能有多种因素触发, 当前, GC 是触发安全点最常见的原因。

此阶段暂停的时间, 与堆内存大小, 对象的总数没有直接关系, 而是由 存活对象 (alive objects) 的数量来决定。所以增加堆内存的大小并不会直接影响标记阶段占用的时间。

标记 阶段完成后, GC 进行下一步操作, 删除不可达对象。

删除不可达对象(Removing Unused Objects)

各种 GC 算法在删除不可达对象时略有不同, 但总体可分为三类: 清除 (sweeping)、整理(compacting) 和复制 (copying)。 下一章节 将详细讲解这些算法。

Sweep(清除)

Mark and Sweep(标记 - 清除) 算法的概念非常简单: 直接忽略所有的垃圾。也就是说在标记阶段完成后, 所有不可达对象占用的内存空间, 都被认为是空闲的, 因此可以用来分配新对象。

这种算法需要使用 空闲表(free-list), 来记录所有的空闲区域, 以及每个区域的大小。维护空闲表增加了对象分配时的开销。此外还存在另一个弱点 —— 明明还有很多空闲内存, 却可能没有一个区域的大小能够存放需要分配的对象, 从而导致分配失败(在 Java 中就是 OutOfMemoryError)。

03_02_GC-sweep.png

Compact(整理)

标记 - 清除 - 整理算法 (Mark-Sweep-Compact), 将所有被标记的对象(存活对象), 迁移到内存空间的起始处, 消除了标记 - 清除算法的缺点。 相应的缺点就是 GC 暂停时间会增加, 因为需要将所有对象复制到另一个地方, 然后修改指向这些对象的引用。此算法的优势也很明显, 碎片整理之后, 分配新对象就很简单, 只需要通过指针碰撞(pointer bumping) 即可。使用这种算法, 内存空间剩余的容量一直是清楚的, 不会再导致内存碎片问题。

03_03_GC-mark-sweep-compact.png

Copy(复制)

标记 - 复制算法(Mark and Copy) 和 标记 - 整理算法(Mark and Compact) 十分相似: 两者都会移动所有存活的对象。区别在于, 标记 - 复制算法是将内存移动到另外一个空间: 存活区。标记 - 复制方法的优点在于: 标记和复制可以同时进行。缺点则是需要一个额外的内存区间, 来存放所有的存活对象。

03_04_GC-mark-and-copy-in-Java.png

原文链接: GC Algorithms: Basics

翻译人员: 铁锚 http://blog.csdn.net/renfufei

翻译时间: 2016 年 02 月 06 日

GC 算法概述

学习了 GC 算法的相关概念之后, 我们将介绍在 JVM 中这些算法的具体实现。首先要记住的是, 大多数 JVM 都需要使用两种不同的 GC 算法 —— 一种用来清理年轻代, 另一种用来清理老年代。

我们可以选择 JVM 内置的各种算法。如果不通过参数明确指定垃圾收集算法, 则会使用宿主平台的默认实现。本章会详细介绍各种算法的实现原理。

下面是关于 Java 8 中各种组合的垃圾收集器概要列表, 对于之前的 Java 版本来说, 可用组合会有一些不同:

Young Tenured JVM options
Incremental(增量 GC) Incremental -Xincgc
Serial Serial -XX:+UseSerialGC
Parallel Scavenge Serial -XX:+UseParallelGC -XX:-UseParallelOldGC
Parallel New Serial N/A
Serial Parallel Old N/A
Parallel Scavenge Parallel Old -XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC
Parallel New Parallel Old N/A
Serial CMS -XX:-UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC
Parallel Scavenge CMS N/A
Parallel New CMS -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC
G1 -XX:+UseG1GC

看起来有些复杂, 不用担心。主要使用的是上表中黑体字表示的这四种组合。其余的要么是 被废弃(deprecated), 要么是不支持或者是不太适用于生产环境。所以, 接下来我们只介绍下面这些组合及其工作原理:

  • 年轻代和老年代的串行 GC(Serial GC)
  • 年轻代和老年代的并行 GC(Parallel GC)
  • 年轻代的并行 GC(Parallel New) + 老年代的 CMS(Concurrent Mark and Sweep)
  • G1, 负责回收年轻代和老年代
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