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    面向GC的Java编程

    感谢同事【沐剑】的投稿

    Java程序员在编码过程中通常不需要考虑内存问题,JVM经过高度优化的GC机制大部分情况下都能够很好地处理堆(Heap)的清理问题。以至于许多Java程序员认为,我只需要关心何时创建对象,而回收对象,就交给GC来做吧!甚至有人说,如果在编程过程中频繁考虑内存问题,是一种退化,这些事情应该交给编译器,交给虚拟机来解决。

    这话其实也没有太大问题,的确,大部分场景下关心内存、GC的问题,显得有点“杞人忧天”了,高老爷说过:

    过早优化是万恶之源。

    但另一方面,什么才是“过早优化”?

    If we could do things right for the first time, why not?

    事实上JVM的内存模型( JMM )理应是Java程序员的基础知识,处理过几次JVM线上内存问题之后就会很明显感受到,很多系统问题,都是内存问题。

    对JVM内存结构感兴趣的同学可以看下 浅析Java虚拟机结构与机制 这篇文章,本文就不再赘述了,本文也并不关注具体的GC算法,相关的文章汗牛充栋,随时可查。

    另外,不要指望GC优化的这些技巧,可以对应用性能有成倍的提高,特别是对I/O密集型的应用,或是实际落在YoungGC上的优化,可能效果只是帮你减少那么一点YoungGC的频率。

    但我认为,优秀程序员的价值,不在于其所掌握的几招屠龙之术,而是在细节中见真著,就像前面说的,如果我们可以一次把事情做对,并且做好,在允许的范围内尽可能追求卓越,为什么不去做呢?

    一、GC分代的基本假设

    大部分GC算法,都将堆内存做分代(Generation)处理,但是为什么要分代呢,又为什么不叫内存分区、分段,而要用面向时间、年龄的“代”来表示不同的内存区域?

    GC分代的基本假设是:

    绝大部分对象的生命周期都非常短暂,存活时间短。

    而这些短命的对象,恰恰是GC算法需要首先关注的。所以在大部分的GC中,YoungGC(也称作MinorGC)占了绝大部分,对于负载不高的应用,可能跑了数个月都不会发生FullGC。

    基于这个前提,在编码过程中,我们应该尽可能地缩短对象的生命周期。在过去,分配对象是一个比较重的操作,所以有些程序员会尽可能地减少new对象的次数,尝试减小堆的分配开销,减少内存碎片。

    但是,短命对象的创建在JVM中比我们想象的性能更好,所以,不要吝啬new关键字,大胆地去new吧。

    当然前提是不做无谓的创建,对象创建的速率越高,那么GC也会越快被触发。

    结论:

    分配小对象的开销分享小,不要吝啬去创建。

    GC最喜欢这种小而短命的对象。

    让对象的生命周期尽可能短,例如在方法体内创建,使其能尽快地在YoungGC中被回收,不会晋升(romote)到年老代(Old Generation)。

    二、对象分配的优化

    基于大部分对象都是小而短命,并且不存在多线程的数据竞争。这些小对象的分配,会优先在线程私有的 TLAB 中分配,TLAB中创建的对象,不存在锁甚至是CAS的开销。

    TLAB占用的空间在Eden Generation。

    当对象比较大,TLAB的空间不足以放下,而JVM又认为当前线程占用的TLAB剩余空间还足够时,就会直接在Eden Generation上分配,此时是存在并发竞争的,所以会有CAS的开销,但也还好。

    当对象大到Eden Generation放不下时,JVM只能尝试去Old Generation分配,这种情况需要尽可能避免,因为一旦在Old Generation分配,这个对象就只能被Old Generation的GC或是FullGC回收了。

    三、不可变对象的好处

    GC算法在扫描存活对象时通常需要从ROOT节点开始,扫描所有存活对象的引用,构建出对象图。

    不可变对象对GC的优化,主要体现在Old Generation中。

    可以想象一下,如果存在Old Generation的对象引用了Young Generation的对象,那么在每次YoungGC的过程中,就必须考虑到这种情况。

    Hotspot JVM为了提高YoungGC的性能,避免每次YoungGC都扫描Old Generation中的对象引用,采用了 卡表(Card Table) 的方式。

    简单来说,当Old Generation中的对象发生对Young Generation中的对象产生新的引用关系或释放引用时,都会在卡表中响应的标记上标记为脏(dirty),而YoungGC时,只需要扫描这些dirty的项就可以了。

    可变对象对其它对象的引用关系可能会频繁变化,并且有可能在运行过程中持有越来越多的引用,特别是容器。这些都会导致对应的卡表项被频繁标记为dirty。

    而不可变对象的引用关系非常稳定,在扫描卡表时就不会扫到它们对应的项了。

    注意,这里的不可变对象,不是指仅仅自身引用不可变的final对象,而是真正的Immutable Objects。

    四、引用置为null的传说

    早期的很多Java资料中都会提到在方法体中将一个变量置为null能够优化GC的性能,类似下面的代码:

    List<String> list = new ArrayList<String>();
    // some code
    list = null; // help GC
    

    事实上这种做法对GC的帮助微乎其微,有时候反而会导致代码混乱。

    我记得几年前 @rednaxelafx 在HLL VM小组中详细论述过这个问题,原帖我没找到,结论基本就是:

    在一个非常大的方法体内,对一个较大的对象,将其引用置为null,某种程度上可以帮助GC。

    大部分情况下,这种行为都没有任何好处。

    所以,还是早点放弃这种“优化”方式吧。

    GC比我们想象的更聪明。

    五、手动档的GC

    在很多Java资料上都有下面两个奇技淫巧:

    通过Thread.yield()让出CPU资源给其它线程。

    通过System.gc()触发GC。

    事实上JVM从不保证这两件事,而System.gc()在JVM启动参数中如果允许显式GC,则会触发FullGC,对于响应敏感的应用来说,几乎等同于自杀。

    So,让我们牢记两点:

    Never use Thread.yield()。

    Never use System.gc()。除非你真的需要回收Native Memory。

    第二点有个Native Memory的例外,如果你在以下场景:

    · 使用了NIO或者NIO框架(Mina/Netty)

    · 使用了DirectByteBuffer分配字节缓冲区

    · 使用了MappedByteBuffer做内存映射

    由于Native Memory只能通过FullGC(或是CMS GC)回收,所以除非你非常清楚这时真的有必要,否则不要轻易调用System.gc(),且行且珍惜。

    另外为了防止某些框架中的System.gc调用(例如NIO框架、Java RMI),建议在启动参数中加上-XX:+DisableExplicitGC来禁用显式GC。

    这个参数有个巨大的坑,如果你禁用了System.gc(),那么上面的3种场景下的内存就无法回收,可能造成OOM,如果你使用了CMS GC,那么可以用这个参数替代:-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent。

    关于System.gc(),可以参考 @bluedavy 的几篇文章:

    · CMS GC会不会回收Direct ByteBuffer的内存

    · 说说在Java启动参数上我犯的错

    · java.lang.OutOfMemoryError:Map failed

    六、指定容器初始化大小

    Java容器的一个特点就是可以动态扩展,所以通常我们都不会去考虑初始大小的设置,不够了反正会自动扩容呗。

    但是扩容不意味着没有代价,甚至是很高的代价。

    例如一些基于数组的数据结构,例如StringBuilder、StringBuffer、ArrayList、HashMap等等,在扩容的时候都需要做ArrayCopy,对于不断增长的结构来说,经过若干次扩容,会存在大量无用的老数组,而回收这些数组的压力,全都会加在GC身上。

    这些容器的构造函数中通常都有一个可以指定大小的参数,如果对于某些大小可以预估的容器,建议加上这个参数。

    可是因为容器的扩容并不是等到容器满了才扩容,而是有一定的比例,例如HashMap的扩容阈值和负载因子(loadFactor)相关。

    Google Guava框架对于容器的初始容量提供了非常便捷的工具方法,例如:

    Lists.newArrayListWithCapacity(initialArraySize);
    
    Lists.newArrayListWithExpectedSize(estimatedSize);
    
    Sets.newHashSetWithExpectedSize(expectedSize);
    
    Maps.newHashMapWithExpectedSize(expectedSize);
    

    这样我们只要传入预估的大小即可,容量的计算就交给Guava来做吧。

    反例:

    如果采用默认无参构造函数,创建一个ArrayList,不断增加元素直到OOM,那么在此过程中会导致:

    多次数组扩容,重新分配更大空间的数组
    多次数组拷贝
    内存碎片

    七、对象池

    为了减少对象分配开销,提高性能,可能有人会采取对象池的方式来缓存对象集合,作为复用的手段。

    但是对象池中的对象由于在运行期长期存活,大部分会晋升到Old Generation,因此无法通过YoungGC回收。

    并且通?!挥惺裁葱Ч?。

    对于对象本身:

    如果对象很小,那么分配的开销本来就小,对象池只会增加代码复杂度。

    如果对象比较大,那么晋升到Old Generation后,对GC的压力就更大了。

    从线程安全的角度考虑,通常池都是会被并发访问的,那么你就需要处理好同步的问题,这又是一个大坑,并且同步带来的开销,未必比你重新创建一个对象小。

    对于对象池,唯一合适的场景就是当池中的每个对象的创建开销很大时,缓存复用才有意义,例如每次new都会创建一个连接,或是依赖一次RPC。

    比如说:

    · 线程池
    · 数据库连接池
    · TCP连接池

    即使你真的需要实现一个对象池,也请使用成熟的开源框架,例如Apache Commons Pool。

    另外,使用JDK的ThreadPoolExecutor作为线程池,不要重复造轮子,除非当你看过AQS的源码后认为你可以写得比Doug Lea更好。

    八、对象作用域

    尽可能缩小对象的作用域,即生命周期。

    如果可以在方法内声明的局部变量,就不要声明为实例变量。

    除非你的对象是单例的或不变的,否则尽可能少地声明static变量。

    九、各类引用

    java.lang.ref.Reference有几个子类,用于处理和GC相关的引用。JVM的引用类型简单来说有几种:

    · Strong Reference,最常见的引用
    · Weak Reference,当没有指向它的强引用时会被GC回收
    · Soft Reference,只当临近OOM时才会被GC回收
    · Phantom Reference,主要用于识别对象被GC的时机,通常用于做一些清理工作

    当你需要实现一个缓存时,可以考虑优先使用WeakHashMap,而不是HashMap,当然,更好的选择是使用框架,例如Guava Cache。

    最后,再次提醒,以上的这些未必可以对代码有多少性能上的提升,但是熟悉这些方法,是为了帮助我们写出更卓越的代码,和GC更好地合作。

    原创文章,转载请注明: 转载自并发编程网 – www.gofansmi6.com本文链接地址: 面向GC的Java编程


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    • 评论 (5)
      • beiyeren
      • 2014/05/07 4:54下午

      虽然都是细节,总结的很详细,尤其是System.gc() 听很多人都想这样用,“经验的力量啊”

      • Snway
      • 2014/05/08 9:53上午

      感触挺多的,赞一个!

      • 天微亮
      • 2014/05/10 5:21下午

      “如果可以在方法内声明的局部变量,就不要声明为实例变量?!?,今天看了JVM结构模型后,感觉确实应该这样

      • KrystalJake_Android
      • 2014/08/06 9:26上午

      想问一下,我记得在java编程思想里提到,一个类,native分的内存,比如malloc的内存,最好在finalize方法里,通过jni自己释放,这个和您提到的fullgc,回收native之间是什么关系?

        • menglong567
        • 2014/08/08 2:23下午

        通过创建对象产生的内存,gc可以回收。但是有些特殊内存gc不能回收,因此可以在finalize中用本地方法(native method)如free操作等回收。gc只能回收通过new关键字申请的内存(在堆上),但是堆上的内存却不完全是通过new申请分配的。
        因此针对你说的native内存,GC是不管的。因此fullgc跟native也是没关系的。

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