Сборка мусора в Java: что это такое и как работает в JVM

Перед началом статьи хочу сказать, что еще больше полезной и нужной информации вы найдете в моём Telegram-канале. Подпишитесь, мне будет очень приятно.

Оригинал данной статьи на английском:Siben Nayak: Garbage Collection in Java — What is GC and How it Works in the JVM

Сборка мусора — это процесс восстановления заполненной памяти среды выполнения путем уничтожения неиспользуемых объектов.

В таких языках, как C и C++, программист отвечает как за создание, так и за уничтожение объектов. Иногда программист может забыть уничтожить бесполезные объекты, и выделенная им память не освобождается. Расходуется все больше и больше системной памяти, и в конечном итоге она больше не выделяется. Такие приложения страдают от “утечек памяти”.

После определенного момента памяти уже не хватает для создания новых объектов, и программа нештатно завершается из-за OutOfMemoryErrors.

В C++ для сборки мусора можно воспользоваться методом delete(), а в C — методом free(). В Java сборка мусора происходит автоматически в течение всего времени работы программы. Это устраняет необходимость выделения памяти и, следовательно, позволяет избежать утечек.

Сборка мусора в Java — это процесс, с помощью которого программы Java автоматически управляют памятью. Java-программы компилируются в байт-код, который запускается на виртуальной машине Java (JVM).

Когда Java-программы выполняются на JVM, объекты создаются в куче, которая представляет собой часть памяти, выделенную для них.

Пока Java-приложение работает, в нем создаются и запускаются новые объекты. В конце концов некоторые объекты перестают быть нужны. Можно сказать, что в любой момент времени память кучи состоит из двух типов объектов.

Сборщик мусора находит эти неиспользуемые объекты и удаляет их, чтобы освободить память.

Основная цель сборки мусора — освободить память кучи, уничтожив объекты, которые не содержат ссылку. Когда на объект нет ссылки, предполагается, что он мертв и больше не нужен. Таким образом, память, занятая объектом, может быть восстановлена.

Есть несколько способов убрать ссылки на объект и сделать его кандидатом на сборку мусора. Вот некоторые из них.

Сборка мусора в Java — автоматический процесс. Программисту не нужно явно отмечать объекты, подлежащие удалению.

Сборка мусора производится в JVM. Каждая JVM может реализовать собственную версию сборки мусора. Однако сборщик должен соответствовать стандартной спецификации JVM для работы с объектами, присутствующими в памяти кучи, для маркировки или идентификации недостижимых объектов и их уничтожения через уплотнение.

Сборщики мусора работают с концепцией корней сбора мусора (GC Roots) для идентификации живых и мертвых объектов.

Примеры таких корней.

Сборщик мусора просматривает весь граф объектов в памяти, начиная с этих корней и следуя ссылкам на другие объекты.

Стандартная реализация сборки мусора включает в себя три этапа.

На этом этапе GC (сборщик мусора) идентифицирует все живые объекты в памяти путем обхода графа объектов.

Когда GC посещает объект, то помечает его как доступный и, следовательно, живой. Все объекты, недоступные из корней GC, рассматриваются как кандидаты на сбор мусора.

После фазы разметки пространство памяти занято либо живыми (посещенными), либо мертвыми (не посещенными) объектами. Фаза зачистки освобождает фрагменты памяти, которые содержат эти мертвые объекты.

Мертвые объекты, которые были удалены во время предыдущей фазы, не обязательно находились рядом друг с другом. Поэтому вы рискуете получить фрагментированное пространство памяти.

Память можно уплотнить, когда сборщик мусора удалит мертвые объекты. Оставшиеся будут располагаться в непрерывном блоке в начале кучи.

Процесс уплотнения облегчает последовательное выделение памяти для новых объектов.

Сборщики мусора в Java реализуют стратегию сбора мусора поколений, которая классифицирует объекты по возрасту.

Необходимость отмечать и уплотнять все объекты в JVM неэффективна. По мере выделения все большего количества объектов их список растет, что приводит к увеличению времени сбора мусора. Эмпирический анализ приложений показал, что большинство объектов в Java недолговечны.

В приведенном выше примере ось Y показывает количество выделенных байтов, а ось X — количество выделенных байтов с течением времени. Как видно, со временем все меньше и меньше объектов сохраняют выделенную память.

Большинство объектов живут очень мало, что соответствует более высоким значениям в левой части графика. Вот почему Java классифицирует объекты по поколениям и выполняет сборку мусора в соответствии с ними.

Область памяти кучи в JVM разделена на три секции:

Вновь созданные объекты начинаются в молодом поколении. Молодое поколение далее подразделяется на две категории.

Процесс, когда объекты собираются в мусор из молодого поколения, называется малым событием сборки мусора.

Когда пространство Эдема заполнено объектами, выполняется малая сборка мусора. Все мертвые объекты удаляются, а все живые — перемещаются в одно из оставшихся двух пространств. Малая GC также проверяет объекты в пространстве выживших и перемещает их в другое (следующее) пространство выживших.

Возьмем в качестве примера следующую последовательность.

Таким образом, в любое время одно из пространств для выживших всегда пусто. Когда выжившие объекты достигают определенного порога перемещения по пространствам выживших, они переходят в старшее поколение.

Для установки размера молодого поколения можно воспользоваться флагом -Xmn.

Объекты-долгожители в конечном итоге переходят из молодого поколения в старшее. Оно также известно как штатное поколение и содержит объекты, которые долгое время оставались в пространствах выживших.

Пороговое значение срока службы объекта определяет, сколько циклов сборки мусора он может пережить, прежде чем будет перемещен в старшее поколение.

Процесс, когда объекты отправляются в мусор из старшего поколения, называется основным событием сборки мусора.

Для установки начального и максимального размера памяти кучи вы можете воспользоваться флагами -Xms и -Xmx.

Поскольку Java задействует сборку мусора по поколениям, то чем больше событий сборки мусора переживает объект, тем дальше он продвигается в куче. Он начинает в молодом поколении и в конечном итоге заканчивает в штатном поколении, если проживет достаточно долго.

Чтобы понять продвижение объектов между пространствами и поколениями, рассмотрим следующий пример.

Когда объект создается, он сначала помещается в пространство Эдема молодого поколения. Как только происходит малая сборка мусора, живые объекты из Эдема перемещаются в пространство FromSpace. Когда происходит следующая малая сборка мусора, живые объекты как из Эдема, так и из пространства перемещаются в пространство ToSpace.

Этот цикл продолжается определенное количество раз. Если объект все еще “в строю” после этого момента, следующий цикл сборки мусора переместит его в пространство старшего поколения.

Метаданные, такие как классы и методы, хранятся в постоянном поколении. JVM заполняет его во время выполнения на основе классов, используемых приложением. Классы, которые больше не используются, могут переходить из постоянного поколения в мусор.

Для установки начального и максимального размера постоянного поколения вы можете воспользоваться флагами -XX:PermGen и -XX:MaxPermGen.

Начиная с Java 8, на смену пространству постоянного поколения (PermGen) приходит пространство памяти MetaSpace. Реализация отличается от PermGen — это пространство кучи теперь изменяется автоматически.

Это позволяет избежать проблемы нехватки памяти у приложений, которая возникает из-за ограниченного размера пространства PermGen в куче. Память мета-пространства может быть собрана как мусор, и классы, которые больше не используются, будут автоматически очищены, когда мета-пространство достигнет максимального размера.

Сборка мусора повышает эффективности памяти в Java, поскольку объекты без ссылок удаляются из памяти кучи и освобождается место для новых объектов.

У виртуальной машины Java есть восемь типов сборщиков мусора. Рассмотрим каждый из них в деталях.

Это самая простая реализация GC. Она предназначена для небольших приложений, работающих в однопоточных средах. Все события сборки мусора выполняются последовательно в одном потоке. Уплотнение выполняется после каждой сборки мусора.

Запуск сборщика приводит к событию “остановки мира”, когда все приложение приостанавливает работу. Поскольку на время сборки мусора все приложение замораживается, не следует прибегать к такому в реальной жизни, если требуется, чтобы задержки были минимальными.

Аргумент JVM для использования последовательного сборщика мусора -XX:+UseSerialGC.

Параллельный сборщик мусора предназначен для приложений со средними и большими наборами данных, которые выполняются на многопроцессорном или многопоточном оборудовании. Это реализация GC по умолчанию, и она также известна как сборщик пропускной способности.

Несколько потоков предназначаются для малой сборки мусора в молодом поколении. Единственный поток занят основной сборкой мусора в старшем поколении.

https://cdn-images-1.medium.com/max/533/1*-_hRR1CCvRYwZPU3ayaB1w.png

Запуск параллельного GC также вызывает “остановку мира”, и приложение зависает. Такое больше подходит для многопоточной среды, когда требуется завершить много задач и допустимы длительные паузы, например при выполнении пакетного задания.

Аргумент JVM для использования параллельного сборщика мусора: -XX:+UseParallelGC.

Это версия Parallel GC по умолчанию, начиная с Java 7u4. Это то же самое, что и параллельный GC, за исключением того, что в нем применяются несколько потоков как для молодого поколения, так и для старшего поколения.

Аргумент JVM для использования старого параллельного сборщика мусора: -XX:+UseParallelOldGC.

Также известен как параллельный сборщик низких пауз. Для малой сборки мусора задействуются несколько потоков, и происходит это через такой же алгоритм, как в параллельном сборщике. Основная сборка мусора многопоточна, как и в старом параллельном GC, но CMS работает одновременно с процессами приложений, чтобы свести к минимуму события “остановки мира”.

Из-за этого сборщик CMS потребляет больше ресурсов процессора, чем другие сборщики. Если у вас есть возможность выделить больше ЦП для повышения производительности, то CMS предпочтительнее, чем простой параллельный сборщик. В CMS GC не выполняется уплотнение.

Аргумент JVM для использования параллельного сборщика мусора с разверткой меток: -XX:+UseConcMarkSweepGC.

G1GC был задуман как замена CMS и разрабатывался для многопоточных приложений, которые характеризуются крупным размером кучи (более 4 ГБ). Он параллелен и конкурентен, как CMS, но “под капотом” работает совершенно иначе, чем старые сборщики мусора.

Хотя G1 также действует по принципу поколений, в нем нет отдельных пространств для молодого и старшего поколений. Вместо этого каждое поколение представляет собой набор областей, что позволяет гибко изменять размер молодого поколения.

G1 разбивает кучу на набор областей одинакового размера (от 1 МБ до 32 МБ — в зависимости от размера кучи) и сканирует их в несколько потоков. Область во время выполнения программы может неоднократно становиться как старой, так и молодой.

После завершения этапа разметки G1 знает, в каких областях содержится больше всего мусора. Если пользователь заинтересован в минимизации пауз, G1 может выбрать только несколько областей. Если время паузы неважно для пользователя или предел этого времени установлен высокий, G1 пройдет по большему числу областей.

Поскольку G1 GC идентифицирует регионы с наибольшим количеством мусора и сначала выполняет сбор мусора в них, он и называется: “Мусор — первым”.

Помимо областей Эдема, Выживших и Старой памяти, в G1GC присутствуют еще два типа.

Аргумент JVM для использования сборщика мусора G1: -XX:+UseG1GC.

Epsilon — сборщик мусора, который был выпущен как часть JDK 11. Он обрабатывает выделение памяти, но не реализует никакого реального механизма восстановления памяти. Как только доступная куча исчерпана, JVM завершает работу.

Его можно задействовать для приложений, чувствительных к сверхвысокой задержке, где разработчики точно знают объем памяти приложения или даже добиваются ситуации (почти) полной свободы от мусора. В противном случае пользоваться Epsilon GC не рекомендуется.

Аргумент JVM для использования сборщика мусора Epsilon: -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseEpsilonGC.

Shenandoah — новый GC, выпущенный как часть JDK 12. Ключевое преимущество Shenandoah перед G1 состоит в том, что большая часть цикла сборки мусора выполняется одновременно с потоками приложений. G1 может эвакуировать области кучи только тогда, когда приложение приостановлено, а Shenandoah перемещает объекты одновременно с приложением.

Shenandoah может компактировать живые объекты, очищать мусор и освобождать оперативную память почти сразу после обнаружения свободной памяти. Поскольку все это происходит одновременно, без приостановки работы приложения, то Shenandoah более интенсивно нагружает процессор.

Аргумент JVM для сборщика мусора Шенандоа: -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC.

ZGC — еще один GC, выпущенный как часть JDK 11 и улучшенный в JDK 12. Он предназначен для приложений, которые требуют низкой задержки (паузы в менее чем 10 мс) и/или задействуют очень большую кучу (несколько терабайт).

Основные цели ZGC — низкая задержка, масштабируемость и простота в применении. Для этого ZGC позволяет Java-приложению продолжать работу, пока выполняются все операции по сбору мусора. По умолчанию ZGC освобождает неиспользуемую память и возвращает ее в операционную систему.

Таким образом, ZGC привносит значительное улучшение по сравнению с другими традиционными GCS, обеспечивая чрезвычайно низкое время паузы (обычно в пределах 2 мс).

Аргумент JVM для использования сборщика мусора ZGC: —XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC.

Примечание: как Shenandoah, так и ZGC планируется вывести из экспериментальной стадии в продакшен при выпуске JDK 15.

Если у вашего приложения нет строгих требований ко времени задержки, вам стоит просто запустить приложение и предоставить выбор правильного сборщика самой JVM.

В большинстве случаев настройки по умолчанию отлично работают. При необходимости можно настроить размер кучи для повышения производительности. Если производительность по-прежнему не соответствует ожиданиям, попробуйте изменить сборщик в соответствии с требованиями вашего приложения.

У сборки мусора в Java множество преимуществ.

Прежде всего, это упрощает код. Не нужно беспокоиться о правильном назначении памяти и циклах высвобождения. Вы просто прекращаете использовать объект в коде, и память, которую он занимал, в какой-то момент автоматически восстановится.

Программистам, работающим на языках без сборки мусора (таких как C и C++), приходится реализовывать ручное управление памятью у себя в коде.

Также повышается эффективность памяти Java, поскольку сборщик мусора удаляет из памяти кучи объекты без ссылок. Это освобождает память кучи для размещения новых объектов.

Некоторые программисты выступают за ручное управление памятью вместо сборки мусора, но сборка мусора — уже стандартный компонент многих популярных языков программирования.

Для сценариев, когда сборщик мусора негативно влияет на производительность, Java предлагает множество вариантов настройки, повышающих эффективность GC.

Помимо основных механизмов сборки мусора, один из важнейших моментов относительно этого процесса в Java — недетерминированность. То есть невозможно предсказать, когда именно во время выполнения она произойдет.

С помощью методов System.gc() или Runtime.gc() можно включить в код подсказку для запуска сборщика мусора, но это не гарантирует, что он действительно запустится.

Если у вас недостаточно памяти для запуска приложения, вы столкнетесь с замедлениями, длительным временем сбора мусора, событиями “остановки мира” и, в конечном итоге, ошибками из-за нехватки памяти. Возможно, это указывает, что куча слишком мала, но также может и значить, что в приложении произошла утечка памяти.

Вы можете прибегнуть к помощи инструмента мониторинга, например jstat или Java Flight Recorder, и увидеть, растет ли использование кучи бесконечно, что может указывать на ошибку в коде.

Если у вас небольшое автономное Java-приложение, вам, скорее всего, не понадобится настраивать сборку мусора. Настройки по умолчанию отлично вам послужат.

Лучший подход к настройке сборки мусора в Java — установка JVM-флагов. С помощью флагов можно задать сборщик мусора (например, Serial, G1 и т.д.), начальный и максимальный размер кучи, размер разделов кучи (например, Молодого поколения, Старшего поколения) и многое другое.

Хороший ориентир в плане начальных настроек — характер настраиваемого приложения. К примеру, параллельный сборщик мусора эффективен, но часто вызывает события “остановки мира”, что делает его более подходящим для внутренней обработки, где допустимы длительные паузы.

С другой стороны, сборщик мусора CMS предназначен для минимизации задержек, а значит идеально подходит для веб-приложений, где важна скорость реагирования.

В этой статье мы обсудили сборку мусора Java, механизм ее работы и ее типы.

Для многих простых Java-приложений программисту нет необходимости сознательно отслеживать сборку мусора. Однако тем, кто хочет развить навыки работы с Java, важно понимать, как происходит данный процесс.

Это также очень популярный вопрос на собеседованиях: как на миддл-, так и на сеньор-позиции в бэкенд-разработке.

Спасибо за чтение.