Доклад Алексея Рагозина посвящён сборке мусора в Java и автоматическому управлению памятью, охватывающий методы, алгоритмы и проблемы, связанные с паузами и параллельной обработкой. Обсуждается необходимость остановки потоков во время сборки мусора и использование барьеров для отслеживания ссылок, а также различные сборщики, такие как CMS и G1, с их настройками для оптимизации производительности. В завершение подчеркивается, что эффективность сборки мусора зависит от особенностей приложения и выделенной памяти.

1. Секреты сборки мусора в Java
Алексей Рагозин
alexey.ragozin@gmail.com

2. О чём этот доклад?
• Обзор проблемы автоматического
управления памятью
• Stop-the-world паузы – причины
• Сборка мусора в современных JVM

3. Сборка мусора
Языки использующие автоматическое управление памятью
 Java, JavaScript, Erlang, Haskell, Python, PHP, C#, Ruby, Perl,
SmallTalk, OCaml, List, Scala, ML, Go, D, …
 … and counting
Языки не использующие автоматическое управление памятью
 C, C++, Pascal/Delphi, Objective-C
 Что я забыл?

4. Способы сборки мусора
Мусор – структура данных (объект) в памяти не
достижимый из программного кода.
Подсчёт ссылок
Транзитивное замыкание ссылок
Вообще не собирать

5. Подсчёт ссылок
+ Просто
+ Не требует пауз для сбора мусора
– Не очищает циклические графы
– Дополнительные 15-30% нагрузки CPU
– Плохо сочетается с много поточностью

6. Транзитивное замыкание
ссылок
• Корневой набор ссылок
 Статические переменные
 Локальные переменные
• Объекты достижимые из корневых ссылок – живые
• Объекты недостижимые из корневых ссылок – мусор
В общем случае, граф объектов не должен меняться по мере обхода.
Следовательно, прикладные потоки должны быть остановлены пока
идёт сборка мусора.

7. Алгоритмы сборки мусора
• Mark-Sweep
 Фаза 1 – маркировка достижимых объектов
 Фаза 2 – “вычистка” мусора
• Copy collector (сборка копированием)
 Использует две области памяти, но выполняется в один проход
• Mark-Sweep-Compact
 Mark-Sweep + перемещение живых объектов

8. Трёх цветная маркировка
roots

9. Трёх цветная маркировка
roots

10. Трёх цветная маркировка
roots

11. Трёх цветная маркировка
roots

12. Сборка копированием
roots
FROM
TO

13. Сборка копированием
roots
FROM
TO

14. Сборка копированием
roots
1
FROM
TO

15. Сборка копированием
roots
1 2
FROM
TO

16. Сборка копированием
roots
1 2
FROM
TO

17. Сборка копированием
roots
3 1 2
FROM
TO

18. Экономика сборки мусора
S – объём кучи Объём
L – объём живых объектов мусора в куче
Copy collection
SL
 Эффективность  c 
L
Mark-Sweep
SL SL
 Эффективность  c1   c2 
L S

19. Слабая гипотеза о поколениях
Постулаты
 Большинство объектов умирают молодыми
 Число ссылок на молодые объекты мало
Следствие
Если хранить молодые объекты отдельно от старых, можно
обеспечить высокую пропускную способность (молодое
поколение) и эффективное использование памяти (старое
поколение).

20. Демография объектов в куче
Период молодой сборки
Смертность (байт/с)
Период старой сборки
∞
Возраст объектов

21. Generational collection
 Молодое поколение
 Сборщик настроен на пропускную способность
 Старое поколение
 Сборщик настроен на эффективное использование памяти
 Продвижение (promotion) объектов в старое поколение
 Сборщик молодого поколения копирует живые объекты в
старое поколение после достижения “зрелого” возраста

22. Generational collection
Как получить все указатели из старого
поколения на молодое?
Ответ – барьер на запись
Каждый раз при записи указателя в память в
“старом” пространстве, срабатывает барьер

23. Молодая сборка HotSpot JVM
Eden S1 S2 Tenured
Dirty cards
Collect roots for young GC
Scan stack traces
Scan dirty pages in old space
Сбор “корневых” ссылок

24. Молодая сборка HotSpot JVM
Eden S1 S2 Tenured
Dirty cards
Collect roots for young GC
Clean cards
Recursive copy of live objects (only live objects are traversed)
Копирование живых объектов

25. Молодая сборка HotSpot JVM
Eden S1 S2 Tenured
Dirty cards
Области памяти, не помеченные в таблице карт,
не могут содержать ссылки на молодое поколение
Сборка закончена

26. Stop-the-world паузы
• Изменение графа объектов во время
обхода может привести к пропуску
достижимых объектов
• Большинство managed runtimes может
перемещать объекты только в режиме
паузы

27. Stop-the-world паузы
Параллельные (parallel) алгоритмы
 Используют несколько потоков чтобы сократить время пауз
Фоновые (concurrent) алгоритмы
 Выполняют большую часть работы в фоновом режиме (без STW пауз)
Инкрементальные алгоритмы
 Много маленьких STW вместо одной длительной

28. Фоновая маркировка
Проблема
 Граф объектов меняется по мере обхода *
* Даже в функциональных языках могут выполняться
отложенные вычисления, меняющие граф
Решение
 барьер на запись – отслеживать ссылки
изменившиеся за время обхода

29. Фоновая маркировка
 Card marking write barrier
 HotSpot CMS, JRockit, IBM J9
 Snapshot-at-the-beginning (SATB) write barrier
 HotSpot G1
 Альтернатива барьеру на запись – барьер на чтение
 Azul Zing JVM

30. SATB барьер записи (G1)
C
GC A
A B C D

31. SATB барьер записи (G1)
D
GC C
A B C D

32. SATB барьер записи (G1)
D
GC C
A B C D
Очередь ссылок: B D
Reference queue:

33. SATB барьер записи (G1)
D
GC C
A B C D

34. SATB барьер записи (G1)
D
GC D
A B C D

35. SATB барьер записи (G1)
GC
A B C D
Очередь ссылок: B D
Reference queue:

36. SATB барьер записи (G1)
D
GC B
A B C D
Reference ссылок: пусто
Очередь queue: empty

37. “Card marking” барьер записи
 [пауза] Сбор корневых ссылок
 [фон] Обход графа объектов
 [фон] Перемаркирова “грязных” страниц
 [паузa] Финальная перемаркирова

38. Перемещение объектов
Большинство JVM не может перемещать объекты
без STW паузы.
Цель – уменьшение длительности пауз
 Параллельная обработка (задействовать все ядра)
 Инкрементальное уплотнение (чаще, но короче)
 Не уплотнять – опасность фрагментации

39. Oracle HotSpot
Однопоточный сборщик мусора
-XX:+UseSerialGC
Молодое поколение:
• Сборка копированием
Старое поколение:
• Mark Sweep Compact
Возвращает неиспользуемую
память ОС после сборки старшего поколения
http://aragozin.blogspot.com/2011/09/hotspot-jvm-garbage-collection-options.html

40. Oracle HotSpot
Параллельный сборщик мусора
-XX:+UseParallelGC –XX:+UseParallelOldGC
Молодое поколение:
• Многопоточная сборка копированием
Старое поколение:
• Многопоточный Mark Sweep Compact
http://aragozin.blogspot.com/2011/09/hotspot-jvm-garbage-collection-options.html

41. Oracle HotSpot
Фоновый сборщик мусора
-XX:+UseConcMarkSweepGC
Молодое поколение:
• Одно или многопоточная сборка копированием
Старое поколение:
• Фоновая Mark Sweep сборка
Не перемещает объекты в старом поколении при сборке в
фоновом режиме
http://aragozin.blogspot.com/2011/09/hotspot-jvm-garbage-collection-options.html

42. Oracle HotSpot
Фоновый сборщик мусора
-XX:+UseG1GC
Молодое поколение:
• Многопоточная сборка копированием
Старое поколение:
• Инкрементальная многопоточная сборка копированием
Возвращает не используемую память ОС
http://aragozin.blogspot.com/2011/09/hotspot-jvm-garbage-collection-options.html

43. Oracle’s HotSpot JVM
Young collector Old collector JVM option
Serial (DefNew) Serial Mark-Sweep-Compact -XX:+UseSerialGC
Parallel scavenge (PSYoungGen) Serial Mark-Sweep-Compact (PSOldGen) -XX:+UseParallelGC
Parallel scavenge (PSYoungGen) Parallel Mark-Sweep-Compact (ParOldGen) -XX:+UseParallelOldGC
Serial (DefNew) Concurrent Mark Sweep -XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:-UseParNewGC
Parallel (ParNew) Concurrent Mark Sweep -XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:+UseParNewGC
G1 -XX:+UseG1GC
http://blog.ragozin.info/2011/09/hotspot-jvm-garbage-collection-options.html

44. Oracle JRockit
-Xgc: option Generational Mark Sweep/Compact
genconcon or gencon Yes concurrent incremental
singleconcon or singlecon No concurrent incremental
genconpar Yes concurrent parallel
singleconpar No concurrent parallel
genparpar or genpar Yes parallel parallel
singleparpar or singlepar No parallel parallel
genparcon Yes parallel incremental
singleparcon No parallel incremental
http://blog.ragozin.info/2011/07/jrockit-gc-in-action.html

45. IBM J9
-Xgcpolicy:optthruput
 Одно поколение, stop-the-world сборщик
-Xgcpolicy:optavgpause
 Одно поколение, частично конкурентный сборщик
-Xgcpolicy:gencon
 Два поколения, частично конкурентный сборщик

46. Azul Zing
• Два поколения
• Молодое поколение – конкурентный mark-sweep-compact (MSC)
• Старое поколение – конкурентный mark-sweep-compact (MSC)
Azul Zing выполняет перемещение объектов (уплотнение
памяти) без останова приложения. Ни одна из фаз сборки
мусора не требует STW паузы.
Секрет – read barrier (барьер чтения).

47. Масштабируемость JVM
Может ли JVM работать с большим объёмом
памяти (16GiB и более) без “фризов”?
Ответ да, если приложение удовлетворяет
постулатам гипотезы о поколениях.

48. Рецепт работы без пауз
• HotSpot JVM
• CMS (Concurrent Mark Sweep) сборщик мусора
• Тюнинг
Результат
• Паузы не более 150ms на 32GiB кучи

49. HotSpot CMS сборщик
 Сборка молодого поколения копированием
 Не перемещает объекты в старом поколении
 Статистические методы борьбы с фрагментацией
 Две дополнительные STW фазы
 initial-mark, remark
 Вся остальная работа происходит в фоне

50. Длительность пауз CMS сборщика
Initial
Young collection Remark
mark
Scan Copy Scan Scan Scan Scan
thread Scan dirty cards live thread young thread young Scan dirty cards
stacks objects stacks space stacks space
Read Scan Read Scan
card dirty card dirty
table pages table pages

51. CMS и фрагментация памяти
CMS не перемещает объекты в старшем поколении.
CMS использует отдельные списки свободного места (FSL)
для каждого размера выделяемого блока.
Профилактика фрагментации:
• увеличение размера кучи
• более частые циклы сборки
• HotSpot JVM версии 6u26 и старше

52. Советы по настройке CMS
Настройка CMS на большом объёме кучи
• -XX:MaxNewSize= ? – размер молодого поколения
• -XX:CMSWaitDuration= ?
• -XX:-CMSConcurrentMTEnabled – защита от бага в JVM
• -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly
• -XX:+CMSClassUnloadingEnabled – если действительно нужно
• -XX:ParGCCardsPerStrideChunk= ? – если куча больше 16 GiB
• JVM 1.6u26 или более поздняя
• плюс логирование GC

53. Другие причины пауз
• Свопинг ОС
• Обработка ссылок (weak, soft, phantom, JNI)
• Объекты требующие “финализации”
• JNI, native код может блокировать GC
• Проблемы с permanent generation

54. HotSpot G1
G1 (Garbage First) – новый алгоритм в
последних версия HotSpot JVM
Решит ли он проблему пауз?

55. Можно лучше – OpenJDK патч
RFE-7068625
http://blog.ragozin.info/2011/07/openjdk-patch-cutting-down-gc-pause.html

56. ИТОГ: Сборка мусора в JVM
 Сборка мусора не чёрная магия
 Каждое приложение индивидуально
 Приложение не должно мешать сборщику мусора
 JVM может работать “почти” без пауз
(с паузами не более 100-200ms)
 Автоматическое управление памятью не универсально
(Проблемные приложения: HBase, Cassandra, …)

57. Альтернативы
java.nio.ByteBuffer.allocateDirect()
Достоиства
• Память выделяется вне кучи
• Память освобождается автоматически (через ByteBuffer объект)
• Кроссплатформенность, “чистая Java”
Недостатки
• Фрагментация памяти вне кучи
• Память освобождается автоматически (через ByteBuffer объект)
• Усложняет многопоточное программирование
• -XX:MaxDirectMemorySize=<value>

58. Альтернативы
Real Time System Java
Иерархия регионов памяти
• Объекты выделяются в выбранном регионе
• Локальные и “бессмертные” регионы не собираются
• Локальные регионы освобождаются целиком
• Глобальные объекты не могу ссылаться на локальные

59. Альтернативы
Unsafe Java™
sun.misc.Unsafe
• Unsafe.allocateMemory(…)
• Unsafe.reallocateMemory(…)
• Unsafe.freeMemory(…)

60. Спасибо
http://blog.ragozin.info
- мои статьи о JVM и не только
Алексей Рагозин
alexey.ragozin@gmail.com