【编者按】本文作者是Niv Steingarten,是Takipi 的联合创始人,热衷于编写优雅简洁的代码。作者通过对垃圾收集器的介绍和梳理,在管理垃圾回收方面提出了五个建议,降低收集器开销,帮助大家进一步提升项目性能。本文系国内 ITOM 管理平台 OneAPM 工程师编译整理。

保持GC低开销最实用的建议是什么?

早有消息声称Java 9即将发布,但如今却一再推迟,其中比较值得关注的是G1(“Garbage-First”)垃圾收集器将成为HotSpot JVM的默认收集器。从串行收集器到CMS收集器,在整个生命周期中JVM已历经多代GC的实现和更新,而接下来,G1收集器将谱写新的篇章。

随着垃圾收集器的持续发展,每一代都会进行改善和提高。在串行收集器之后的并行收集器利用多核机器强大的计算能力,实现了垃圾收集多线程。而之后的CMS(Concurrent Mark-Sweep)收集器,将收集分为多个阶段执行,允许在应用线程运行同时进行大量的收集,大大降低了“stop-the-world”全局停顿的出现频率。而现在,G1在JVM上加入了大量堆和可预测的均匀停顿,有效地提升了性能。

尽管GC不断在完善,其致命弱点还是一样:多余的和不可预知的对象分配。但本文中提出了一些高效的长期实用的建议,不管你选择哪种垃圾收集器,都可以帮助你降低GC开销。

建议1:预测收集能力

所有的Java标准集合和大多数自定义的扩展实现(如Trove 和谷歌的Guava),都会使用底层数组(无论基于原始或基于对象)。数据的长度一旦分配后,数组就不可变了,所以在许多情况下,为集合增加项目可能会导致老的底层数组被删除,然后需要重新分配一个更大的数组来替代。

大多数的集合实现都尝试在集合没有被设置为预期大小时,还能对重分配过程进行优化,并降低其开销。但是,最好的结果还是在构造集合时就设置成预期大小。

让我们看一下下面这个简单的例子:

public static List reverse(List<? extends T> list) {

    List result = new ArrayList();

    for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
        result.add(list.get(i));
    }

    return result;
}

以上方法分配了一个新的数组,再将另一个列表的项目填充其中,但只能按倒序填充。

但是,难就难在如何优化增加项目到新列表这一步骤。每次添加后,该列表还需确保其底层数组有足够的空槽能装下新项目。如果能装下,它就会直接在下一个空槽中存储新项目;但如果空间不够,它就会重新分配一个底层数组,将旧数组的内容复制到新数组中,然后再添加新项目。这一过程会导致分配的多个数组都会占据内存,直到GC最后来回收。

所以,我们可以在构建时告知数组需容纳多少个项目,重构后的代码如下:

public static List reverse(List<? extends T> list) {

    List result = new ArrayList(list.size());

    for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
        result.add(list.get(i));
    }

    return result;

}

这样一来,可以保证ArrayList构造函数在最初配置时就能容纳下list.size()个项目,这意味着它不需要再在迭代中重新分配内存。

Guava的集合类则更加先进,允许我们用一个确切数量或估计值来初始化集合。

List result = Lists.newArrayListWithCapacity(list.size());  
List result = Lists.newArrayListWithExpectedSize(list.size());

第一行代码是我们知道有多少项目需要存储的情况,第二行会分配一些多余填充以适应预估误差。

建议2:直接用处理流

当处理数据流时,如从文件中读取数据或从网上下载数据,例如,我们通常可以从数据流中有所发现:

byte[] fileData = readFileToByteArray(new File("myfile.txt"));

由此产生的字节数组可以被解析为XML文档、JSON对象或协议缓冲消息,来命名一些常用选项。

当处理大型或未知大小的文件时,这个想法则不适用了,因为当JVM无法分配文件大小的缓冲区时,则会出现OutOfMemoryErrors错误。

但是,即使数据大小看似能管理,当涉及到垃圾回收时,上述模式仍会造成大量开销,因为它在堆上分配了相当大的blob来容纳文件数据。

更好的处理方式是使用合适的InputStream(本例中是FileInputStream),并直接将其送到分析器,而不是提前将整个文件读到字节数组中。所有主要库会将API直接暴露给解析流,例如:

FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName);  
MyProtoBufMessage msg = MyProtoBufMessage.parseFrom(fis);

建议3:使用不可变对象

不变性有诸多优势,但有一个优势却极少被重视,那就是不变性对垃圾回收的影响。

不可变对象是指对象一旦创建后,其字段(本例中指非原始字段)将无法被修改。例如:

public class ObjectPair {

    private final Object first;
    private final Object second;

    public ObjectPair(Object first, Object second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public Object getFirst() {
        return first;
    }

    public Object getSecond() {
        return second;
    }

}

实例化上面类的结果为不可变对象——所有的字段一旦标记后则不能再被修改。

不变性意味着在构造容器完成之前,由不可变容器引用的所有对象都已经创建。在GC看来:容器会和其最新的新生代保持一致。这意味着当对新生代(young generations)执行垃圾回收周期时,GC可以跳过老年代(older generations)中的不可变对象,因为它知道不可变对象不能引用新生代的任何内容。

越少对象扫描意味着需扫描的内存页越少,而越少的内存页扫描意味着GC周期越短,同时也预示着更短的GC停顿和更好的整体吞吐量。

建议4:慎用字符串连接

字符串可能是任何基于JVM的应用中最普遍的非原始数据结构。但是,其隐含重量和使用便利性使得它们成为应用内存变大的罪魁祸首。

很明显,问题不在于被内联和拘留的文字字符串,而在于字符串在运行时被分配和构建。接下来看看构建动态字符串的简单示例:

public static String toString(T[] array) {

    String result = "[";

    for (int i = 0; i < array.length; i++) {
        result += (array[i] == array ? "this" : array[i]);
        if (i < array.length - 1) {
            result += ", ";
        }
    }

    result += "]";

    return result;
}

获取数组并返回它的字符串表示是一个很不错的方法,但这也正是对象分配的问题所在。

要看到其背后所有的语法糖并不容易,但真正的幕后场景应该是这样:

public static String toString(T[] array) {

    String result = "[";

    for (int i = 0; i < array.length; i++) {

        StringBuilder sb1 = new StringBuilder(result);
        sb1.append(array[i] == array ? "this" : array[i]);
        result = sb1.toString();

        if (i < array.length - 1) {
            StringBuilder sb2 = new StringBuilder(result);
            sb2.append(", ");
            result = sb2.toString();
        }
    }

    StringBuilder sb3 = new StringBuilder(result);
    sb3.append("]");
    result = sb3.toString();

    return result;
}

字符串是不可变的,所以在其连接时并没有被修改,而是依次分配新的字符串。此外,编译器利用标准StringBuilder类来执行的这些链接。这就导致了双重麻烦,在每次循环迭代时,我们得到(1)隐式分配临时字符串,(2)隐式分配临时的StringBuilder对象来帮助我们构建最终结果。

避免上述问题的最佳方法是明确使用StringBuilder并直接附加给它,而不是使用略幼稚的串联运算符(“+”)。所以应该是这样:

public static String toString(T[] array) {

    StringBuilder sb = new StringBuilder("[");

    for (int i = 0; i < array.length; i++) {
        sb.append(array[i] == array ? "this" : array[i]);
        if (i < array.length - 1) {
            sb.append(", ");
        }
    }

    sb.append("]");
    return sb.toString();
}

此时,在方法开始时我们只分配了StringBuilder。从这一点来看,所有的字符串和列表项都会被添加到唯一的StringBuilder中,最终只调用一次toString方法转换成字符串,然后返回结果。

建议5:使用专门的原始集合

Java的标准库非常方便且通用,支持使用集合绑定半静态类型。例如,如果要用一组字符串(Set<String>),或一对字符串映射到字符串列表(Map<Pair, List<String>>),直接利用标准库会非常方便。

事实上,问题之所以出现是因为我们想把double类型的值放在 int 类型的list集合或map映射中。由于泛型不能调用原始集合,则可以用包装类型代替,所以放弃List<int>而使用List<Integer>更好。

但其实这非常浪费,Integer本身就是一个完备对象,由12字节的对象头和内部4字节的整数字段组合而成,加起来每个Integer对象占16个字节,这是同样大小的基类int类型长度的4倍!然而,更大的问题是所有这些Integer实际上都是垃圾回收过程中的对象实例。

为了解决这个问题,我们在Takipi 中使用优秀Trove 集合库。Trove放弃了一些(但不是全部)支持专业高效内存的原始集合的泛型。例如,不用浪费的Map,而用专门的原始集合TintDoubleMap来替代更好:

TIntDoubleMap map = new TIntDoubleHashMap();  
map.put(5, 7.0);  
map.put(-1, 9.999);  
...

Trove底层实现了原始数组的使用,所以在操作集合时没有装箱(int -> Integer)或拆箱(Integer -> int)发生,因此也不会将对象存储在基类中。

结语

随着垃圾收集器不断进步,以及实时优化和JIT编译器变得更加智能,作为开发者的我们,可以越来越少地操心代码的GC友好性。尽管如此,无论G1有多先进,在提高JVM方面,我们还有许多问题需要不断探索和实践,百尺竿头仍需更进一步。

(编译自:https://www.javacodegeeks.com/2015/12/5-tips-reducing-java-garbage-collection-overhead.html)

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