Java垃圾回收器在不同設(shè)備環(huán)境下的性能分析

內(nèi)蒙古呼倫貝爾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 于世萍

Java垃圾回收器是java語言的根基，隨著硬件設(shè)備和java語言的發(fā)展，多個版本的java虛擬機(jī)在不同條件的硬件設(shè)備下表現(xiàn)的性能有所差異，選擇最合適的垃圾回收器可以提高基于java開發(fā)的系統(tǒng)的性能。本文分析了幾款主流的垃圾回收器，并在學(xué)校主流的辦公設(shè)備為實驗環(huán)境測試，該方法可應(yīng)用于OA系統(tǒng)開發(fā)時，配置合適時的垃圾回收器。

隨著java版本的更新，java的內(nèi)存回收算法也逐漸更新迭代，如今已經(jīng)提供了多種的垃圾回收器供開發(fā)人員選擇。面對不同性能的硬件設(shè)備和不同特征的場景，不同種類的垃圾回收器各有優(yōu)劣之分。對于開發(fā)人員而言，如果不去分析其執(zhí)行原理和算法特點，把自動內(nèi)存管理當(dāng)做黑匣子，只依賴最新版本的垃圾回收器，則不會帶來好的效果。

1 垃圾回收算法實現(xiàn)原理的分析

為實現(xiàn)在不同性能的設(shè)備上選擇最合適的垃圾回收器，本章將探究幾種垃圾回收器的工作原理和優(yōu)缺點。

1.1 引用計數(shù)法

引用計數(shù)法為每個分配的內(nèi)存空間保存一個引用計數(shù)器，統(tǒng)計有多少個內(nèi)存對象引用了這個空間。當(dāng)引用計數(shù)器的值為0時，表示該內(nèi)存空間不再使用，即可回收。雖然該方法實現(xiàn)簡單，判定效率高，但是該方法無法解決循環(huán)引用的問題，由于這個致命缺陷，如今的垃圾回收器已經(jīng)不再使用此類算法。

1.2 標(biāo)記清除算法

當(dāng)有效的內(nèi)存空間即將耗盡，則會停止程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而進(jìn)行標(biāo)記和清除兩項工作：首先從引用的根開始遍歷，標(biāo)記所有被引用過的對象，然后回收其余的沒有被引用的對象。該方法雖然可以有效的解決循環(huán)引用的問題，但是該方法的執(zhí)行效率不高，且執(zhí)行期間需要暫停整個應(yīng)用程序的正常執(zhí)行，導(dǎo)致用戶體驗不好，且由于回收的空間不連續(xù)，產(chǎn)生了內(nèi)存碎片，需要維護(hù)一個空閑列表來解決內(nèi)存不連續(xù)的問題。

1.3 復(fù)制算法

為解決標(biāo)記清除算法會產(chǎn)生內(nèi)存碎片的問題，提出了復(fù)制算法對標(biāo)記清除算法作了以下改進(jìn)：將內(nèi)存空間分為兩塊，每次只使用一塊內(nèi)存。在執(zhí)行垃圾回收時，未被回收的內(nèi)存復(fù)制到另一塊內(nèi)存空間，并交換兩塊內(nèi)存空間的角色。復(fù)制的時候內(nèi)存空間會連續(xù)的排列好，由此可知，該方法解決了內(nèi)存碎片的問題。不過，復(fù)制算法的有效性是建立在內(nèi)存總空間較小，垃圾較多的情況下。如果需要垃圾回收的內(nèi)存空間多，每次回收的垃圾少，則會占用大量的時間進(jìn)行復(fù)制操作。

1.4 標(biāo)記壓縮算法

該算法是在標(biāo)記清除算法上的改進(jìn)，該方法執(zhí)行的第一步與標(biāo)記清除算法一樣，標(biāo)記所有被引用的對象，然后將存活的對象壓縮到一部分內(nèi)存區(qū)域，連續(xù)的排列，最后將清理所有存活對象之外的空間。這種操作解決了內(nèi)存碎片的問題，相較于空閑列表法，該方法的開銷顯然更小。

根據(jù)上述的研究可知，垃圾回收器的算法各有優(yōu)劣，如果可以根據(jù)內(nèi)存空間大小不同和垃圾與存活空間的比例不同，將內(nèi)存空間合理分配，在每一部分內(nèi)存空間使用不同的算法，即可達(dá)到取長補(bǔ)短的效果。為此，大部分的垃圾回收器會將內(nèi)存劃分為新生代和老年代兩塊區(qū)域，其中新生代占用總內(nèi)存空間的1/3，老年代占用2/3。首先新生成的垃圾被分配到新生代，新生代空間又分為一個eden區(qū)和兩個survivor區(qū)域。由于全部的內(nèi)存初始分配都在新生代進(jìn)行，所以新生代的垃圾產(chǎn)生的較多，回收的頻率較高，所以新生代使用復(fù)制算法；當(dāng)新生代的內(nèi)存空間已滿切無法進(jìn)行垃圾回收時，這些存活對象會被移動到老年代中。老年代的空間大，且很少會執(zhí)行垃圾回收。老年代占用總內(nèi)存空間的2/3，使用標(biāo)記壓縮算法，雖然該算法執(zhí)行的時間較長，但是老年代只負(fù)責(zé)回收新生代區(qū)域無法回收的內(nèi)存，且老年代的空間較大，很難全部耗盡。所以老年代執(zhí)行垃圾回收的次數(shù)遠(yuǎn)少于新生代，執(zhí)行標(biāo)記壓縮算法的次數(shù)也很少。

2 垃圾回收器工作原理的分析

如今的java語言已經(jīng)更新了十四個大版本，其中也更新了多個種類的垃圾回收器，以滿足在硬件環(huán)境的性能逐漸進(jìn)步的條件下，充分利用硬件設(shè)備的性能，以達(dá)到更快速的執(zhí)行效率。目前主流的幾款垃圾回收期分別包括如下內(nèi)容。

2.1 Serial+Serial Old回收器

Serial回收器是java語言第一代垃圾回收器，Serial回收器采用復(fù)制算法，應(yīng)用與新生代；Serial Old回收器采用標(biāo)記壓縮算法，應(yīng)用于老年代。整體次采用串行回收的方式。Serial是單線程的回收器，這不僅說明該回收器只有一個線程執(zhí)行垃圾回收，還表示執(zhí)行垃圾回收時，必須暫停所有工作線程，暫停工作線程期間，會造成應(yīng)用程序停頓。但是Serial垃圾回收器省去多個線程來回切換的開銷，對于限定單核cpu的環(huán)境來說，該方法仍然可以達(dá)到一定水平的工作效率。

2.2 ParNew回收器

ParNew回收器是在Serial回收器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了并行回收的能力。在底層上，兩者共享了大部分的實現(xiàn)代碼，ParNew回收器同樣采用了復(fù)制算法和暫停用戶線程的機(jī)制，只是在垃圾回收執(zhí)行時，由多個線程執(zhí)行任務(wù)。在多核cpu的環(huán)境下，相較于Serial回收器，ParNew回收器執(zhí)行垃圾回收的速度要更快一些，用戶線程被暫停的時間就會短一些。ParNew回收器負(fù)責(zé)回收新生代，可搭配Serial Old回收器或者CMS回收器負(fù)責(zé)老年代的垃圾回收工作。

2.3 CMS回收器

CMS垃圾回收器可以是實現(xiàn)并發(fā)工作，即垃圾回收線程在執(zhí)行某一部分操作時可以與用戶線程同時執(zhí)行。CMS負(fù)責(zé)老年代垃圾回收，基于標(biāo)記清除算法實現(xiàn)。其工作流程可分為初始標(biāo)記、并發(fā)標(biāo)記、重新標(biāo)記、并發(fā)清除四步驟。初始標(biāo)記負(fù)責(zé)定位一些立即回收的內(nèi)存空間，并發(fā)標(biāo)記查找一些與初始標(biāo)記過有關(guān)的且未被使用的內(nèi)存。并發(fā)標(biāo)記表示該步驟的垃圾回收線程與用戶線程可以同時執(zhí)行。重新標(biāo)記負(fù)責(zé)修正并發(fā)標(biāo)記期間由于垃圾回收線程與用戶線程可以同時執(zhí)行導(dǎo)致的錯誤標(biāo)記。并發(fā)清除負(fù)責(zé)回收垃圾，該步驟的垃圾回收線程與用戶線程任然可以同時執(zhí)行。該方法可以實現(xiàn)垃圾回收線程與工作線程在某些時段的同時工作，降低了由于垃圾回收造成工作線程停頓的時間。但是其缺點也很明顯：首先CMS采用標(biāo)記清除算法，必然會造成大量內(nèi)存碎片產(chǎn)生，無法合理的利用內(nèi)存空間。其次，CMS在并發(fā)標(biāo)記階段會對垃圾對象產(chǎn)生誤判，即該階段被判斷為不是垃圾的對象，用于工作線程也在執(zhí)行的原因，這些對象有可能在標(biāo)記結(jié)束后成為垃圾。總之CMS回收器在一次垃圾回收操作中無法準(zhǔn)確的回收所有的垃圾，當(dāng)垃圾增長過快時，該方法的性能明顯下降。

2.4 Parallel scavenge回收器

Parallel scavenge回收器同樣采用了復(fù)制算法，并行回收和暫停用戶線程機(jī)制。與parnew回收器區(qū)別在于該收集器以吞吐量優(yōu)先，并且會根據(jù)當(dāng)前程序的運(yùn)行情況，動態(tài)的調(diào)整內(nèi)存分配情況，以達(dá)到吞吐量和延遲的可控制可協(xié)調(diào)。

2.5 G1回收器

G1收集器采用了與以上完全不同的分區(qū)方法，在垃圾回收期間，允許有多個線程同時工作，且擁有與應(yīng)用程序并發(fā)執(zhí)行的能力，不會完全阻塞工作線程。G1回收器將內(nèi)存空間劃分為多個區(qū)，每個區(qū)之間采用復(fù)制算法，整體采用標(biāo)記壓縮算法。由于引入分區(qū)機(jī)制，G1可以自由控制垃圾回收線程的暫停時長，縮小回收范圍，優(yōu)先回收價值最高的區(qū)，保證了在有限的時間內(nèi)獲取最高的回收效率。

3 實驗與分析

為驗證在學(xué)校經(jīng)常使用中等配置的硬件設(shè)備與工作中主要使用的教務(wù)管理系統(tǒng)的場景下，以上介紹的幾種垃圾回收器的優(yōu)劣，本文設(shè)計的實驗如下：實驗運(yùn)行兩個線程，第一個線程負(fù)責(zé)每秒打印一次時間，第二個線程通過循環(huán)生成字節(jié)數(shù)組占用內(nèi)存，當(dāng)達(dá)到一定的占用量后回收的操作，來模擬用戶使用教務(wù)管理系統(tǒng)。當(dāng)?shù)诙€線程回收內(nèi)存時，分別設(shè)置不同的垃圾回收器，來比較程序總共的運(yùn)行時間，總運(yùn)行時間=第一個線程的運(yùn)行時間+垃圾回收占用的時間。總時間越短，則表示垃圾回收執(zhí)行的時間越短，垃圾回收期的效果越好。表1為該實驗的執(zhí)行結(jié)果，由實驗結(jié)果可知，Parallel scavenge回收器的總時間最短，性能最優(yōu)。

表1 實驗結(jié)果對比

總結(jié)：不同的垃圾回收器在不同的工作場景下各有優(yōu)劣性，一些新推出的垃圾回收器適用于互聯(lián)網(wǎng)B/S業(yè)務(wù)，對處理高并發(fā)的業(yè)務(wù)請求有更好的效果，然而對于配置不高的單核cpu和簡單的教務(wù)管理系統(tǒng)，反而使用早期的垃圾回收器的效果更好。