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[系统运维]内存碎片以及垃圾回收


一.内存碎片的产生 


内存分配有静态分配和动态分配两种,静态分配在程序编译链接时分配的大小和使用寿命就已经确定,而应用上要求操作系统可以提供给进程运行时申请和释 放任意大小内存的功能,这就是内存的动态分配。而动态分配将不可避免会产生内存碎片的问题,那么什么是内存碎片?内存碎片即“碎片的内存”描述一个系统中 所有不可用的空闲内存,这些碎片之所以不能被使用,是因为负责动态分配内存的分配算法使得这些空闲的内存无法使用,这一问题的发生,原因在于这些空闲内存以小且不连续方式出现在不同的位置。因此这个问题的或大或小取决于内存管理算法的实现上。
为什么会产生这些小且不连续的空闲内存碎片呢?实际上这些空闲内存碎片存在的方式有两种:a.内部碎片 b.外部碎片 。
内部碎片的产生:因为所有的内存分配必须起始于可被 4、8 或 16 整除(视处理器体系结构而定)的地址或者因为MMU的分页机制的限制,决定内存分配算法仅能把预定大小的内存块分配给客户。假设当某个客户请求一个 43 字节的内存块时,因为没有适合大小的内存,所以它可能会获得 44字节、48字节等稍大一点的字节,因此由所需大小四舍五入而产生的多余空间就叫内部碎片。
外部碎片的产生: 频繁的分配与回收物理页面会导致大量的、连续且小的页面块夹杂在已分配的页面中间,就会产生外部碎片。假设有一块一共有100个单位的 连续空闲内存空间,范围是0~99。如果你从中申请一块内存,如10个单位,那么申请出来的内存块就为0~9区间。这时候你继续申请一块内存,比如说5个 单位大,第二块得到的内存块就应该为10~14区间。如果你把第一块内存块释放,然后再申请一块大于10个单位的内存块,比如说20个单位。因为刚被释放 的内存块不能满足新的请求,所以只能从15开始分配出20个单位的内存块。现在整个内存空间的状态是0~9空闲,10~14被占用,15~24被占 用,25~99空闲。其中0~9就是一个内存碎片了。如果10~14一直被占用,而以后申请的空间都大于10个单位,那么0~9就永远用不上了,变成外部 碎片。

二. 垃圾回收的意义

  在C++中,对象所占的内存在程序结束运行之前一直被占用,在明确释放之前不能分配给其它对象;而在Java中,当没有对象引用指向原先分配给某个对象的内存时,该内存便成为垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存块。垃圾回收意味着程序不再需要的对象是"无用信息",这些信息将被丢弃。当一个对象不再被引用的时候,内存回收它占领的空间,以便空间被后来的新对象使用。事实上,除了释放没用的对象,垃圾回收也可以清除内存记录碎片。由于创建对象和垃圾回收器释放丢弃对象所占的内存空间,内存会出现碎片。碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端,JVM将整理出的内存分配给新的对象。
  垃圾回收能自动释放内存空间,减轻编程的负担。这使Java 虚拟机具有一些优点。首先,它能使编程效率提高。在没有垃圾回收机制的时候,可能要花许多时间来解决一个难懂的存储器问题。在用Java语言编程的时候,靠垃圾回收机制可大大缩短时间。其次是它保护程序的完整性, 垃圾回收是Java语言安全性策略的一个重要部份。
  垃圾回收的一个潜在的缺点是它的开销影响程序性能。Java虚拟机必须追踪运行程序中有用的对象,而且最终释放没用的对象。这一个过程需要花费处理器的时间。其次垃圾回收算法的不完备性,早先采用的某些垃圾回收算法就不能保证100%收集到所有的废弃内存。当然随着垃圾回收算法的不断改进以及软硬件运行效率的不断提升,这些问题都可以迎刃而解。
2. 垃圾收集的算法分析
  Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法,但是任何一种垃圾回收算法一般要做2件基本的事情:(1)发现无用信息对象;(2)回收被无用对象占用的内存空间,使该空间可被程序再次使用。
  大多数垃圾回收算法使用了根集(root set)这个概念;所谓根集就是正在执行的Java程序可以访问的引用变量的集合(包括局部变量、参数、类变量),程序可以使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾回收首先需要确定从根开始哪些是可达的和哪些是不可达的,从根集可达的对象都是活动对象,它们不能作为垃圾被回收,这也包括从根集间接可达的对象。而根集通过任意路径不可达的对象符合垃圾收集的条件,应该被回收。下面介绍几个常用的算法。
  2.1. 引用计数法(Reference Counting Collector)
  引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收的法,该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。一般来说,堆中的每个对象对应一个引用计数器。当每一次创建一个对象并赋给一个变量时,引用计数器置为1。当对象被赋给任意变量时,引用计数器每次加1当对象出了作用域后(该对象丢弃不再使用),引用计数器减1,一旦引用计数器为0,对象就满足了垃圾收集的条件。
  基于引用计数器的垃圾收集器运行较快,不会长时间中断程序执行,适宜地必须实时运行的程序。但引用计数器增加了程序执行的开销,因为每次对象赋给新的变量,计数器加1,而每次现有对象出了作用域生,计数器减1。
  2.2. tracing算法(Tracing Collector)
  tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出,它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描,识别出哪些对象可达,哪些对象不可达,并用某种方式标记可达对象,例如对每个可达对象设置一个或多个位。在扫描识别过程中,基于tracing算法的垃圾收集也称为标记和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器.
  2.3. compacting算法(Compacting Collector)
  为了解决堆碎片问题,基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想,在清除的过程中,算法将所有的对象移到堆的一端,堆的另一端就变成了一个相邻的空闲内存区,收集器会对它移动的所有对象的所有引用进行更新,使得这些引用在新的位置能识别原来的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中,一般增加句柄和句柄表。
  2.4. copying算法(Coping Collector)
  该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成一个对象区和多个空闲区,程序从对象区为对象分配空间,当对象满了,基于coping算法的垃圾回收就从根集中扫描活动对象,并将每个活动对象复制到空闲区(使得活动对象所占的内存之间没有空闲间隔),这样空闲区变成了对象区,原来的对象区变成了空闲区,程序会在新的对象区中分配内存。
  一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法,它将堆分成对象区和空闲区域区,在对象区与空闲区域的切换过程中,程序暂停执行。
  2.5. generation算法(Generational Collector)
  stop-and-copy垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制所有的活动对象,这增加了程序等待时间,这是coping算法低效的原因。在程序设计中有这样的规律:多数对象存在的时间比较短,少数的存在时间比较长。因此,generation算法将堆分成两个或多个,每个子堆作为对象的一代 (generation)。由于多数对象存在的时间比较短,随着程序丢弃不使用的对象,垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后,上次运行存活下来的对象移到下一最高代的子堆中,由于老一代的子堆不会经常被回收,因而节省了时间。
  2.6. adaptive算法(Adaptive Collector)
  在特定的情况下,一些垃圾收集算法会优于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用情况,并将选择适当算法的垃圾收集器。
3. System.gc()方法
      命令行参数透视垃圾收集器的运行
  使用System.gc()可以不管JVM使用的是哪一种垃圾回收的算法,都可以请求Java的垃圾回收。在命令行中有一个参数-verbosegc可以查看Java使用的堆内存的情况,它的格式如下:
  java -verbosegc classfile
  可以看个例子:
  
[java] view plain copy

  1. class TestGC  
  2. {  
  3.     public static void main(String[] args)  
  4.     {  
  5.       new TestGC();  
  6.       System.gc();  
  7.       System.runFinalization();  
  8.    }  
  9. }  

      
  在这个例子中,一个新的对象被创建,由于它没有使用,所以该对象迅速地变为不可达,程序编译后,执行命令: java -verbosegc TestGC 后结果为:
  [Full GC 168K->97K(1984K), 0.0253873 secs]
  机器的环境为,Windows 2000 + JDK1.3.1,箭头前后的数据168K和97K分别表示垃圾收集GC前后所有存活对象使用的内存容量,说明有168K-97K=71K的对象容量被回收,括号内的数据1984K为堆内存的总容量,收集所需要的时间是0.0253873秒(这个时间在每次执行的时候会有所不同)。
      需要注意的是,调用System.gc()也仅仅是一个请求(建议)。JVM接受这个消息后,并不是立即做垃圾回收,而只是对几个垃圾回收算法做了加权,使垃圾回收操作容易发生,或提早发生,或回收较多而已。
4. finalize()方法
      在JVM垃圾回收器收集一个对象之前,一般要求程序调用适当的方法释放资源,但在没有明确释放资源的情况下,Java提供了缺省机制来终止该对象心释放资源,这个方法就是finalize()。它的原型为:
  protected void finalize() throws Throwable
  在finalize()方法返回之后,对象消失,垃圾收集开始执行。原型中的throws Throwable表示它可以抛出任何类型的异常。
  之所以要使用finalize(),是存在着垃圾回收器不能处理的特殊情况。假定你的对象(并非使用new方法)获得了一块“特殊”的内存区域,由于垃圾回收器只知道那些显示地经由new分配的内存空间,所以它不知道该如何释放这块“特殊”的内存区域,那么这个时候java允许在类中定义一个由finalize()方法。
      特殊的区域例如:1)由于在分配内存的时候可能采用了类似 C语言的做法,而非JAVA的通常new做法。这种情况主要发生在native method中,比如native method调用了C/C++方法malloc()函数系列来分配存储空间,但是除非调用free()函数,否则这些内存空间将不会得到释放,那么这个时候就可能造成内存泄漏。但是由于free()方法是在C/C++中的函数,所以finalize()中可以用本地方法来调用它。以释放这些“特殊”的内存空间。2)又或者打开的文件资源,这些资源不属于垃圾回收器的回收范围。
      换言之,finalize()的主要用途是释放一些其他做法开辟的内存空间,以及做一些清理工作。因为在JAVA中并没有提够像“析构”函数或者类似概念的函数,要做一些类似清理工作的时候,必须自己动手创建一个执行清理工作的普通方法,也就是override Object这个类中的finalize()方法。例如,假设某一个对象在创建过程中会将自己绘制到屏幕上,如果不是明确地从屏幕上将其擦出,它可能永远都不会被清理。如果在finalize()加入某一种擦除功能,当GC工作时,finalize()得到了调用,图像就会被擦除。要是GC没有发生,那么这个图像就会
被一直保存下来。
      一旦垃圾回收器准备好释放对象占用的存储空间,首先会去调用finalize()方法进行一些必要的清理工作。只有到下一次再进行垃圾回收动作的时候,才会真正释放这个对象所占用的内存空间。
  在普通的清除工作中,为清除一个对象,那个对象的用户必须在希望进行清除的地点调用一个清除方法。这与C++"析构函数"的概念稍有抵触。在C++中,所有对象都会破坏(清除)。或者换句话说,所有对象都"应该"破坏。若将C++对象创建成一个本地对象,比如在堆栈中创建(在Java中是不可能的,Java都在堆中),那么清除或破坏工作就会在"结束花括号"所代表的、创建这个对象的作用域的末尾进行。若对象是用new创建的(类似于Java),那么当程序员调用C++的 delete命令时(Java没有这个命令),就会调用相应的析构函数。若程序员忘记了,那么永远不会调用析构函数,我们最终得到的将是一个内存"漏洞",另外还包括对象的其他部分永远不会得到清除。
  相反,Java不允许我们创建本地(局部)对象--无论如何都要使用new。但在Java中,没有"delete"命令来释放对象,因为垃圾回收器会帮助我们自动释放存储空间。所以如果站在比较简化的立场,我们可以说正是由于存在垃圾回收机制,所以Java没有析构函数。然而,随着以后学习的深入,就会知道垃圾收集器的存在并不能完全消除对析构函数的需要,或者说不能消除对析构函数代表的那种机制的需要(原因见下一段。另外finalize()函数是在垃圾回收器准备释放对象占用的存储空间的时候被调用的,绝对不能直接调用finalize(),所以应尽量避免用它)。若希望执行除释放存储空间之外的其他某种形式的清除工作,仍然必须调用Java中的一个方法。它等价于C++的析构函数,只是没后者方便。
      在C++中所有的对象运用delete()一定会被销毁,而JAVA里的对象并非总会被垃圾回收器回收。In another word, 1 对象可能不被垃圾回收,2 垃圾回收并不等于“析构”,3 垃圾回收只与内存有关。也就是说,并不是如果一个对象不再被使用,是不是要在finalize()中释放这个对象中含有的其它对象呢?不是的。因为无论对象是如何创建的,垃圾回收器都会负责释放那些对象占有的内存。
5. 触发主GC(Garbage Collector)的条件
  JVM进行次GC的频率很高,但因为这种GC占用时间极短,所以对系统产生的影响不大。更值得关注的是主GC的触发条件,因为它对系统影响很明显。总的来说,有两个条件会触发主GC:
  1)当应用程序空闲时,即没有应用线程在运行时,GC会被调用。因为GC在优先级最低的线程中进行,所以当应用忙时,GC线程就不会被调用,但以下条件除外。
  2)Java堆内存不足时,GC会被调用。当应用线程在运行,并在运行过程中创建新对象,若这时内存空间不足,JVM就会强制地调用GC线程,以便回收内存用于新的分配。若GC一次之后仍不能满足内存分配的要求,JVM会再进行两次GC作进一步的尝试,若仍无法满足要求,则 JVM将报“out of memory”的错误,Java应用将停止。
  由于是否进行主GC由JVM根据系统环境决定,而系统环境在不断的变化当中,所以主GC的运行具有不确定性,无法预计它何时必然出现,但可以确定的是对一个长期运行的应用来说,其主GC是反复进行的。
6. 减少GC开销的措施
  根据上述GC的机制,程序的运行会直接影响系统环境的变化,从而影响GC的触发。若不针对GC的特点进行设计和编码,就会出现内存驻留等一系列负面影响。为了避免这些影响,基本的原则就是尽可能地减少垃圾和减少GC过程中的开销。具体措施包括以下几个方面:
  (1)不要显式调用System.gc()
  此函数建议JVM进行主GC,虽然只是建议而非一定,但很多情况下它会触发主GC,从而增加主GC的频率,也即增加了间歇性停顿的次数。
  (2)尽量减少临时对象的使用
  临时对象在跳出函数调用后,会成为垃圾,少用临时变量就相当于减少了垃圾的产生,从而延长了出现上述第二个触发条件出现的时间,减少了主GC的机会。
  (3)对象不用时最好显式置为Null
  一般而言,为Null的对象都会被作为垃圾处理,所以将不用的对象显式地设为Null,有利于GC收集器判定垃圾,从而提高了GC的效率。
  (4)尽量使用StringBuffer,而不用String来累加字符串
  由于String是固定长的字符串对象,累加String对象时,并非在一个String对象中扩增,而是重新创建新的String对象,如Str5=Str1+Str2+Str3+Str4,这条语句执行过程中会产生多个垃圾对象,因为对次作“+”操作时都必须创建新的String对象,但这些过渡对象对系统来说是没有实际意义的,只会增加更多的垃圾。避免这种情况可以改用StringBuffer来累加字符串,因StringBuffer是可变长的,它在原有基础上进行扩增,不会产生中间对象。
  (5)能用基本类型如Int,Long,就不用Integer,Long对象
  基本类型变量占用的内存资源比相应对象占用的少得多,如果没有必要,最好使用基本变量。
  (6)尽量少用静态对象变量
  静态变量属于全局变量,不会被GC回收,它们会一直占用内存。
  (7)分散对象创建或删除的时间
  集中在短时间内大量创建新对象,特别是大对象,会导致突然需要大量内存,JVM在面临这种情况时,只能进行主GC,以回收内存或整合内存碎片,从而增加主GC的频率。集中删除对象,道理也是一样的。它使得突然出现了大量的垃圾对象,空闲空间必然减少,从而大大增加了下一次创建新对象时强制主GC的机会。
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2016-03-26 16:27:55  
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