[Java效能剖析]Sun JVM記憶體管理和垃圾回收

 記憶體管理和垃圾回收是JVM非常關鍵的點，對Java效能的剖析而言，瞭解記憶體管理和垃圾回收的基本策略非常重要。本篇對Sun JVM 6.0的記憶體管理和垃圾回收做大概的描述。

      1.記憶體管理
      在程式執行過程當中，會建立大量的物件，這些物件，大部分是短週期的物件，小部分是長週期的物件，對於短週期的物件，需要頻繁地進行垃圾回收以保證無用物件儘早被釋放掉，對於長週期物件，則不需要頻率垃圾回收以確保無謂地垃圾掃描檢測。為解決這種矛盾，Sun JVM的記憶體管理採用分代的策略。
      1）年輕代(Young Gen)：年輕代主要存放新建立的物件，記憶體大小相對會比較小，垃圾回收會比較頻繁。年輕代分成1個Eden Space和2個Suvivor Space（命名為A和B）

• 當物件在堆建立時，將進入年輕代的Eden Space。
• 垃圾回收器進行垃圾回收時，掃描Eden Space和A Suvivor Space，如果物件仍然存活，則複製到B Suvivor Space，如果B Suvivor Space已經滿，則複製 Old Gen
• 掃描A Suvivor Space時，如果物件已經經過了幾次的掃描仍然存活，JVM認為其為一個Old物件，則將其移到Old Gen。
• 掃描完畢後，JVM將Eden Space和A Suvivor Space清空，然後交換A和B的角色（即下次垃圾回收時會掃描Eden Space和BSuvivor Space。

      我們可以看到：Young Gen垃圾回收時，採用將存活物件複製到到空的Suvivor Space的方式來確保不存在記憶體碎片，採用空間換時間的方式來加速記憶體垃圾回收。
      2）年老代(Tenured Gen)：年老代主要存放JVM認為比較old的物件（經過幾次的Young Gen的垃圾回收後仍然存在），記憶體大小相對會比較大，垃圾回收也相對沒有那麼頻繁（譬如可能幾個小時一次）。年老代主要採用壓縮的方式來避免記憶體碎片（將存活物件移動到記憶體片的一邊），當然，有些垃圾回收器（譬如CMS垃圾回收器）出於效率的原因，可能會不進行壓縮。
      3）持久代(Perm Gen)：持久代主要存放類定義、位元組碼和常量等很少會變更的資訊，關於這塊的垃圾回收策略可以參考我的另一篇BLOG《Tomcat Context reloadabled 與 OutOfMemory(PermSpace) 》。
      Class data sharing (CDS)( http://java.sun.com/j2se/1.5.0/docs/guide/vm/class-data-sharing.html)是JDK5新引入的特性，採用在虛擬機器之間共享一些class定義資訊（bootstrapClassLoader載入的類）的方式提速JVM的啟動和記憶體的佔用，主要用於客戶端，如果需要對類進行instrutment，最好把CDS關閉。（預設情況下，JVM的server模式會關閉CDS，client模式會開啟CDS）

       我們通過JConsole截圖看看上面這幾個區的顯示（下圖），從左到右分別是EdenSpace、A Suvivor Space、Tenured Gen、Code Cache、Perm Gen(shared-wr)、Perm Gen(shared-ro)、Perm Gen

      2．垃圾回收策略
      評估垃圾回收策略的兩個重要度量是：

• 吞吐量(Throughput )：JVM花費在垃圾回收上的時間越長，則吞吐量越低
• 暫停時間(Pause time)：JVM垃圾回收過程當中有一個暫停期，在暫停期間，應用程式不能執行，暫停時間是暫停期的長度

      非常遺憾的是，一般這兩個指標是相互衝突的，改善其中一個會影響到另外一個，根據情景的不同我們決定是優先考慮吞吐量還是暫停時間，對於需要實時響應的應用，我們需要優先考慮暫停時間，對於後臺執行應用，我們需要優先考慮吞吐量。
      在考察各種垃圾回收器之前，我們需要了解一下幾個重要的策略

• 並行(Parallel)：並行表示使用多個執行緒同時進行垃圾回收的工作，此策略一般會從同時改善暫停時間和吞吐量，在有多CPU核心的伺服器上，這是基本上我們要使用的策略。
• 併發(Concurrent)：並行表示垃圾回收器的一些工作（譬如垃圾標記）與應用程式同時進行，這將更進一步縮短暫停時間，需要注意的是，同時垃圾回收器的複雜性會大大增大，基本上是會降低吞吐量，
• 記憶體碎片處理：有不壓縮、壓縮和拷貝三種策略，從空間上講，拷貝將花費更多的記憶體（譬如如上記憶體管理的Young Gen，需要維持一個額外的Suvivor空間），從時間上來講，不壓縮會減低建立物件時的記憶體分配效率，在垃圾回收上，拷貝策略會比壓縮策略更高效。

      Sun JVM有4垃圾回收器：

• Serial Collector：序列垃圾回收器，垃圾回收器對Young Gen和Tenured Gen都是使用單線的垃圾回收方式，對Young Gen，會使用拷貝策略避免記憶體碎片，對Old Gen，會使用壓縮策略避免記憶體碎片。基本上，在對核心的伺服器上應該避免使用這種方式。在JVM啟動引數中使用-XX:+UseSerialGC啟用Serial Collector。
• Parallel Collector：併發垃圾回收器，垃圾回收器對Young Gen和Tenured Gen都是使用多執行緒並行垃圾回收的方式，對Young Gen，會使用拷貝策略避免記憶體碎片，對Old Gen，會使用壓縮策略避免記憶體碎片。在JVM啟動引數中使用-XX:+UseParallelGC啟用Parallel Collector。
• Parallel Compacting Collector：並行壓縮垃圾回收器，與Parallel Collector垃圾回收類似，但對Tenured Gen會使用一種更有效的垃圾回收策略，此垃圾回收器在暫停時間上會更短。在JVM啟動引數中使用-XX:+UseParallelOldGC啟用Parallel Compacting Collector。
• Concurrent Mark-Sweep (CMS) Collector：併發標誌清除垃圾回收器，對Young Gen會使用與Parallel Collector同樣的垃圾回收策略，對Tenured Gen，垃圾回收的垃圾標誌執行緒與應用執行緒同時進行，而垃圾清除則需要暫停應用執行緒，但暫停時間會大大縮減，需要注意的是，由於垃圾回收過程更加複雜，會降低總體的吞吐量。