[Java性能剖析]Sun JVM内存管理和垃圾回收

 内存管理和垃圾回收是JVM非常关键的点，对Java性能的剖析而言，了解内存管理和垃圾回收的基本策略非常重要。本篇对Sun JVM 6.0的内存管理和垃圾回收做大概的描述。

      1.内存管理
      在程序运行过程当中，会创建大量的对象，这些对象，大部分是短周期的对象，小部分是长周期的对象，对于短周期的对象，需要频繁地进行垃圾回收以保证无用对象尽早被释放掉，对于长周期对象，则不需要频率垃圾回收以确保无谓地垃圾扫描检测。为解决这种矛盾，Sun JVM的内存管理采用分代的策略。
      1）年轻代(Young Gen)：年轻代主要存放新创建的对象，内存大小相对会比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代分成1个Eden Space和2个Suvivor Space（命名为A和B）

• 当对象在堆创建时，将进入年轻代的Eden Space。
• 垃圾回收器进行垃圾回收时，扫描Eden Space和A Suvivor Space，如果对象仍然存活，则复制到B Suvivor Space，如果B Suvivor Space已经满，则复制 Old Gen
• 扫描A Suvivor Space时，如果对象已经经过了几次的扫描仍然存活，JVM认为其为一个Old对象，则将其移到Old Gen。
• 扫描完毕后，JVM将Eden Space和A Suvivor Space清空，然后交换A和B的角色（即下次垃圾回收时会扫描Eden Space和BSuvivor Space。

      我们可以看到：Young Gen垃圾回收时，采用将存活对象复制到到空的Suvivor Space的方式来确保不存在内存碎片，采用空间换时间的方式来加速内存垃圾回收。
      2）年老代(Tenured Gen)：年老代主要存放JVM认为比较old的对象（经过几次的Young Gen的垃圾回收后仍然存在），内存大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁（譬如可能几个小时一次）。年老代主要采用压缩的方式来避免内存碎片（将存活对象移动到内存片的一边），当然，有些垃圾回收器（譬如CMS垃圾回收器）出于效率的原因，可能会不进行压缩。
      3）持久代(Perm Gen)：持久代主要存放类定义、字节码和常量等很少会变更的信息，关于这块的垃圾回收策略可以参考我的另一篇BLOG《Tomcat Context reloadabled 与 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，采用在虚拟机之间共享一些class定义信息（bootstrapClassLoader加载的类）的方式提速JVM的启动和内存的占用，主要用于客户端，如果需要对类进行instrutment，最好把CDS关闭。（默认情况下，JVM的server模式会关闭CDS，client模式会开启CDS）

-Xshare:off
Disable class data sharing.
-Xshare:on
Require class data sharing to be enabled. If it could not be enabled for various reasons, print an error message and exit.
-Xshare:auto
The default; enable class data sharing whenever possible.

 

       我们通过JConsole截图看看上面这几个区的显示（下图），从左到右分别是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
      评估垃圾回收策略的两个重要度量是：

• 吞吐量(Throughput )：JVM花费在垃圾回收上的时间越长，则吞吐量越低
• 暂停时间(Pause time)：JVM垃圾回收过程当中有一个暂停期，在暂停期间，应用程序不能运行，暂停时间是暂停期的长度

      非常遗憾的是，一般这两个指标是相互冲突的，改善其中一个会影响到另外一个，根据情景的不同我们决定是优先考虑吞吐量还是暂停时间，对于需要实时响应的应用，我们需要优先考虑暂停时间，对于后台运行应用，我们需要优先考虑吞吐量。
      在考察各种垃圾回收器之前，我们需要了解一下几个重要的策略

• 并行(Parallel)：并行表示使用多个线程同时进行垃圾回收的工作，此策略一般会从同时改善暂停时间和吞吐量，在有多CPU内核的服务器上，这是基本上我们要使用的策略。
• 并发(Concurrent)：并行表示垃圾回收器的一些工作（譬如垃圾标记）与应用程序同时进行，这将更进一步缩短暂停时间，需要注意的是，同时垃圾回收器的复杂性会大大增大，基本上是会降低吞吐量，
• 内存碎片处理：有不压缩、压缩和拷贝三种策略，从空间上讲，拷贝将花费更多的内存（譬如如上内存管理的Young Gen，需要维持一个额外的Suvivor空间），从时间上来讲，不压缩会减低创建对象时的内存分配效率，在垃圾回收上，拷贝策略会比压缩策略更高效。

      Sun JVM有4垃圾回收器：

• Serial Collector：序列垃圾回收器，垃圾回收器对Young Gen和Tenured Gen都是使用单线的垃圾回收方式，对Young Gen，会使用拷贝策略避免内存碎片，对Old Gen，会使用压缩策略避免内存碎片。基本上，在对内核的服务器上应该避免使用这种方式。在JVM启动参数中使用-XX:+UseSerialGC启用Serial Collector。
• Parallel Collector：并发垃圾回收器，垃圾回收器对Young Gen和Tenured Gen都是使用多线程并行垃圾回收的方式，对Young Gen，会使用拷贝策略避免内存碎片，对Old Gen，会使用压缩策略避免内存碎片。在JVM启动参数中使用-XX:+UseParallelGC启用Parallel Collector。
• Parallel Compacting Collector：并行压缩垃圾回收器，与Parallel Collector垃圾回收类似，但对Tenured Gen会使用一种更有效的垃圾回收策略，此垃圾回收器在暂停时间上会更短。在JVM启动参数中使用-XX:+UseParallelOldGC启用Parallel Compacting Collector。
• Concurrent Mark-Sweep (CMS) Collector：并发标志清除垃圾回收器，对Young Gen会使用与Parallel Collector同样的垃圾回收策略，对Tenured Gen，垃圾回收的垃圾标志线程与应用线程同时进行，而垃圾清除则需要暂停应用线程，但暂停时间会大大缩减，需要注意的是，由于垃圾回收过程更加复杂，会降低总体的吞吐量。