какие ссылки считаются безусловно достижимыми для сборщика мусора

Избавляемся от мусора в Java

Что такое сборка мусора, зачем она нужна и как работает

Для работы любого приложения требуется память. Однако память компьютера ограничена. Поэтому важно ее очищать от старых неиспользуемых данных, чтобы освободить место для новых.

Кто занимается этой очисткой? Как и когда очищается память? Как выглядит структура памяти? Давайте разберем с этим подробнее.

Структура памяти Java

Память в Java состоит из следующих областей:

Структура памяти Java

Native Memory — вся доступная системная память.

Stack (стек) — используется для хранения локальных переменных и стека вызовов метода. Для каждого потока выделяется свой стек.

Metaspace (метаданные) — в этой памяти хранятся метаданные классов и статические переменные. Это пространство также является общими для всех. Так как metaspace является частью native memory, то его размер зависит от платформы. Верхний предел объема памяти, используемой для metaspace, можно настроить с помощью флага MaxMetaspaceSize.

PermGen (Permanent Generation, постоянное поколение) присутствовало до Java 7. Начиная с Java 8 ему на смену пришла область Metaspace.

CodeCache (кэш кода) — JIT-компилятор компилирует часто исполняемый код, преобразует его в нативный машинный код и кеширует для более быстрого выполнения. Это тоже часть native memory.

Сборка мусора: введение

Что такое «мусор»? Мусором считается объект, который больше не может быть достигнут по ссылке из какого-либо объекта. Поскольку такие объекты больше не используются в приложении, то их можно удалить из памяти.

Например, на диаграмме ниже объект fruit2 может быть удален из памяти, поскольку на него нет ссылок.

Мусор

Что такое сборка мусора? Сборка мусора — это процесс автоматического управления памятью. Освобождение памяти (путем очистки мусора) выполняется автоматически специальным компонентом JVM — сборщиком мусора (Garbage Collector, GC). Нам, как программистам, нет необходимости вмешиваться в процесс сборки мусора.

Источник: Oracle.com

Сборка мусора: процесс

Для сборки мусора используется алгоритм пометок (Mark & Sweep). Этот алгоритм состоит из трех этапов:

Sweep (очистка). На этом шаге освобождается память, занятая объектами, не отмеченными на предыдущем шаге.

Compact (уплотнение). Объекты, пережившие очистку, перемещаются в единый непрерывный блок памяти. Это уменьшает фрагментацию кучи и позволяет проще и быстрее размещать новые объекты.

Mark & Sweep GC

Поколения объектов

Что такое поколения объектов?

Для оптимизации сборки мусора память кучи дополнительно разделена на четыре области. В эти области объекты помещаются в зависимости от их возраста (как долго они используются в приложении).

Young Generation (молодое поколение). Здесь создаются новые объекты. Область young generation разделена на три части раздела: Eden (Эдем), S0 и S1 (Survivor Space — область для выживших).

Old Generation (старое поколение). Здесь хранятся давно живущие объекты.

Поколения в куче

Что такое Stop the World?

Когда запускается этап mark, работа приложения останавливается. После завершения mark приложение возобновляет свою работу. Любая сборка мусора — это «Stop the World».

Что такое гипотеза о поколениях?

Как уже упоминалось ранее, для оптимизации этапов mark и sweep используются поколения. Гипотеза о поколениях говорит о следующем:

Большинство объектов живут недолго.

Если объект выживает, то он, скорее всего, будет жить вечно.

Этапы mark и sweep занимают меньше времени при большом количестве мусора. То есть маркировка будет происходить быстрее, если анализируемая область небольшая и в ней много мертвых объектов.

Таким образом, алгоритм сборки мусора, использующий поколения, выглядит следующим образом:

Сборка мусора поколениями

Новые объекты создаются в области Eden. Области Survivor (S0, S1) на данный момент пустые.

Когда область Eden заполняется, происходит минорная сборка мусора (Minor GC). Minor GC — это процесс, при котором операции mark и sweep выполняются для young generation (молодого поколения).

После Minor GC живые объекты перемещаются в одну из областей Survivor (например, S0). Мертвые объекты полностью удаляются.

По мере работы приложения пространство Eden заполняется новыми объектами. При очередном Minor GC области young generation и S0 очищаются. На этот раз выжившие объекты перемещаются в область S1, и их возраст увеличивается (отметка о том, что они пережили сборку мусора).

При следующем Minor GC процесс повторяется. Однако на этот раз области Survivor меняются местами. Живые объекты перемещаются в S0 и у них увеличивается возраст. Области Eden и S1 очищаются.

Объекты между областями Survivor копируются определенное количество раз (пока не переживут определенное количество Minor GC) или пока там достаточно места. Затем эти объекты копируются в область Old.

Major GC. При Major GC этапы mark и sweep выполняются для Old Generation. Major GC работает медленнее по сравнению с Minor GC, поскольку старое поколение в основном состоит из живых объектов.

Преимущества использования поколений

Minor GC происходит в меньшей части кучи (

2/3 от кучи). Этап маркировки эффективен, потому что область небольшая и состоит в основном из мертвых объектов.

Недостатки использования поколений

В каждый момент времени одно из пространств Survivor (S0 или S1) пустое и не используется.

Сборка мусора: флаги

В этом разделе приведены некоторые важные флаги, которые можно использовать для настройки процесса сборки мусора.

Флаг

Описание

Первоначальный размер кучи

Максимальный размер куча

Отношение размера Old Generation к Young Generation

Отношение размера Eden к Survivor

Возраст объекта, когда объект перемещается из области Survivor в область Old Generation

Типы сборщиков мусора

Сборщик мусора

Описание

Преимущества

Когда использовать

Флаги для включения

Использует один поток.

Эффективный, т.к. нет накладных расходов на взаимодействие потоков.

Работа с небольшими наборами данных.

Использует несколько потоков.

Многопоточность ускоряет сборку мусора.

В приоритете пиковая производительность.

Допустимы паузы при GC в одну секунду и более.

Работа со средними и большими наборами данных.

Для приложений, работающих на многопроцессорном или многопоточном оборудовании.

Выполняет некоторую тяжелую работу параллельно с работой приложения.

Может использоваться как на небольших системах, так и на больших с большим количеством процессоров и большим количеством памяти.

Когда время отклика важнее пропускной способности.

Паузы GC должны быть меньше одной секунды.

Выполняет всю тяжелую работу параллельно с работой приложения.

В приоритете время отклика.

Сборщики мусора в Java

Инструменты мониторинга GC

Что мониторить?

Частота запуска сборки мусора. Так как GC вызывает «stop the world», поэтому чем время сборки мусора меньше, тем лучше.

Длительность одного цикла сборки мусора.

Как мониторить сборщик мусора?

Для мониторинга можно использовать следующие инструменты:

Для включения логирования событий сборщика мусора добавьте следующие параметры JVM:

Источник

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

Что такое сборка мусора в Java?

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”.

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.

Как разыменовать объект в Java

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.

Сделать ссылку нулевой

Назначить ссылку другому объекту

Использовать анонимный объект

Как работает сборка мусора в Java?

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.

Каковы источники для сборки мусора в Java?

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.

Этапы сборки мусора в Java

Стандартная реализация сборки мусора включает в себя три этапа.

Пометка объектов как живых

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.

Зачистка мертвых объектов

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

Компактное расположение оставшихся объектов в памяти

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.

Что такое сбор мусора по поколениям?

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:

Молодое поколение

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.

Старшее поколение

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.

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.

Постоянное поколение

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.

Мета-пространство

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.

Типы сборщиков мусора в виртуальной машине Java

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.

Серийный GC

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.

Параллельный GC

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.

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.

Старый параллельный GC

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.

CMS (Параллельная пометка и зачистка) GC

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.

G1 (Мусор — первым) GC

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.

Сборщик мусора Эпсилон

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.

Шенандоа

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.

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).

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

Как правильно выбрать сборщик мусора

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.

Преимущества сборки мусора

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.

Рекомендации по сбору мусора

Избегайте ручных триггеров

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.

Пользуйтесь инструментами для анализа

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.

Отдавайте предпочтение настройкам по умолчанию

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

Пользуйтесь флагами JVM для настройки

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.

Выбирайте сборщик правильно

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.

Вывод

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.

Источник