Java通過(guò)垃圾收集器（Garbage Collection，簡(jiǎn)稱(chēng)GC）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)內(nèi)存管理，這樣可有效減輕Java應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，也避免了更多內(nèi)存泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

如果你用過(guò)C++等需要手動(dòng)管理內(nèi)存的語(yǔ)言，那么你就會(huì)體會(huì)到GC帶來(lái)的便利，降低了語(yǔ)言使用的門(mén)檻。

不過(guò)在我們享受自動(dòng)內(nèi)存管理帶來(lái)的便利時(shí)，也不得不關(guān)注它帶來(lái)的一些缺點(diǎn)。Java的垃圾收集器最被人詬病的可能就是STW了，不過(guò)除此之外，它還有一些缺點(diǎn)，這一篇我們就列舉一下GC的幾大缺點(diǎn)。

1、停頓（SWT，stop-the-world）

在垃圾收集時(shí)，垃圾收集周期要求所有的應(yīng)用程序線程停頓，這樣是為了避免在垃圾收集時(shí)，應(yīng)用程序代碼破壞垃圾收集線程所掌握的堆狀態(tài)信息。

STW會(huì)讓所有業(yè)務(wù)線程暫停執(zhí)行，等待GC的標(biāo)記，即使是ZGC以及C4等相對(duì)先進(jìn)的垃圾收集器，仍然在根掃描等階段避免不了完全STW。這會(huì)降低整個(gè)業(yè)務(wù)的吞吐量，因?yàn)槔占⒉皇窃谧鰳I(yè)務(wù)相關(guān)的事情。STW也會(huì)讓增加時(shí)延，降低響應(yīng)速度。

如果你的應(yīng)用程序關(guān)注的是時(shí)延，那么看看JDK是否支持最新的垃圾收集器，如ZGC 這樣的就是主打低延遲的垃圾收集器；如果你的應(yīng)用程序只關(guān)注吞吐量，那就選擇Parallel GC，這個(gè)垃圾收集器雖然早就存在，但就吞吐量而言，仍然要比其它的收集器有一定的優(yōu)勢(shì)。

另外，整個(gè)虛擬機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)，而GC也是這個(gè)系統(tǒng)的一部分，并不是單獨(dú)運(yùn)行，需要和棧、編譯器以及線程等交互，線程安全點(diǎn)的檢查和寫(xiě)屏障等也會(huì)直接影響到程序的效率。

2、占用更多的內(nèi)存/內(nèi)存利用率低

最直接的空間浪費(fèi)就是To Survivor區(qū)了，目前許多GC都是采用分代垃圾收集，將整個(gè)堆劃分為年輕代和老年代，其中年輕代又被劃分為Eden、From Survivor和To Survivor區(qū)。年輕代多采用的復(fù)制算法不允許使用To Survivor區(qū)，其大小通常是整個(gè)年輕代的1/10。

老年代的空間利用率不是太高，總要有一部分擔(dān)?？臻g來(lái)保證年輕代GC的順利執(zhí)行。

為了實(shí)現(xiàn)單獨(dú)回收年輕代GC，需要將老年代的對(duì)象也做為根對(duì)象進(jìn)行掃描，為了加快老年代的掃描速度，需要卡表和偏移表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助，這些都需要空間，如卡表通常是512字節(jié)需要1個(gè)字節(jié)的卡表，那么一個(gè)2G大小的老年代需要約4MB的卡表，而G1的記憶集需要占用更多的內(nèi)存記錄代際之間的引用關(guān)系。

在為堆分配內(nèi)存空間時(shí)，通常會(huì)調(diào)用mmap()申請(qǐng)和分配，不過(guò)Linux采用的是兩階段提交，也就是說(shuō)首先會(huì)申請(qǐng)到虛擬內(nèi)存空間，當(dāng)某個(gè)地址被訪問(wèn)時(shí)才會(huì)真正分配到物理空間。目前的JDK中可指定或不指定堆大小，當(dāng)不指定時(shí)可由GC自動(dòng)調(diào)整，不過(guò)好像大多數(shù)人在使用時(shí)仍然會(huì)為虛擬機(jī)指定堆大小參數(shù)，甚至?xí)榱私档脱舆t配置AlwaysPreTouch等參數(shù)，讓堆提前申請(qǐng)到所有的物理內(nèi)存，避免在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配，影響效率。無(wú)論是手動(dòng)還是自動(dòng)調(diào)整的堆大小，一旦申請(qǐng)到了物理空間后就不會(huì)釋放，試想一下，如果在流量高峰時(shí)，可能申請(qǐng)到了許多的物理內(nèi)存，而在流量低時(shí)內(nèi)存利用率可能非常低，不過(guò)阿里的JDK開(kāi)發(fā)過(guò)歸還物理內(nèi)存的特性。從JDK13起，ZGC新增內(nèi)存歸還特性（Uncommit Unused Memory），可將未使用的堆內(nèi)存歸還操作系統(tǒng)，很適用于容器化場(chǎng)。這些措施有利于提高內(nèi)存使用率。

3、GC發(fā)生時(shí)間未知

當(dāng)GC發(fā)生時(shí)間未知時(shí)，Java對(duì)象什么時(shí)候被回收就不確定，也就是Java的生命周期（存活時(shí)間）不確定。垃圾收集發(fā)生的時(shí)機(jī)沒(méi)有確定性，也不是以固定的頻率發(fā)生，這也會(huì)造成一些浮動(dòng)垃圾，也就是本來(lái)需要回收的對(duì)象還在占用空間，不能及時(shí)釋放也會(huì)影響到空間利用率。

我們這里探討一個(gè)與Java生成周期不確定導(dǎo)致Java的finalize特性變成雞肋的問(wèn)題。

如果要寫(xiě)C++，那么能將一個(gè)對(duì)象的生命周期范圍縮小在一個(gè)塊內(nèi)，如下：

class ResoruceMark{
   ResourceMark(){
     // 在構(gòu)造函數(shù)中申請(qǐng)資源，如互斥鎖 
  }
  ~ResourceMark(){
    // 在析構(gòu)函數(shù)中釋放資源
  }
};
// 在塊內(nèi)使用ResourceMark管理資源
{
  ResourceMark mark; // 申請(qǐng)到資源
  ...
 // mark生命周期已經(jīng)結(jié)束，自動(dòng)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)釋放資源
}

在Java虛擬機(jī)HotSpot中，有各種Mark字符串結(jié)尾的類(lèi)，大多都是如上這樣的使用方式，如ResourceMark和HandleMark等。

Java的finalize()機(jī)制也嘗試提供自動(dòng)資源管理，可通過(guò)重寫(xiě)finalize()方法來(lái)釋放資源（類(lèi)似于C++的析構(gòu)函數(shù)），當(dāng)對(duì)象被回收時(shí)，自動(dòng)調(diào)用這個(gè)finalize()方法釋放資源。

在HotSpot VM中，在GC進(jìn)行可達(dá)性分析的時(shí)候，如果當(dāng)前對(duì)象是finalize類(lèi)型的對(duì)象（重寫(xiě)了finalize()方法的對(duì)象），并且本身不可達(dá)，則會(huì)被加入到一個(gè)ReferenceQueue類(lèi)型的隊(duì)列中。而系統(tǒng)在初始化的過(guò)程中，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)FinalizerThread類(lèi)型的守護(hù)線程（線程名Finalizer），該線程會(huì)不斷消費(fèi)ReferenceQueue中的對(duì)象，并執(zhí)行其finalize()方法。對(duì)象在執(zhí)行finalize()方法后，只是斷開(kāi)了與Finalizer的關(guān)聯(lián)，并不意味著會(huì)立即被回收，還是要等待下一次GC時(shí)才會(huì)被回收，而每個(gè)對(duì)象的finalize()方法都只會(huì)執(zhí)行一次，不會(huì)重復(fù)執(zhí)行。

它的問(wèn)題在于，這個(gè)finalize()方法非常依賴于GC回收動(dòng)作，GC運(yùn)行的時(shí)間是不確定的，所以finalize()方法什么時(shí)候被調(diào)用釋放其中的資源也是不確定的。假設(shè)需要回收的是文件句柄，如果這個(gè)finalze()遲遲不發(fā)生的話，那么這從某種意義上來(lái)說(shuō)，也算是資源泄漏了，盡早有可以讓資源耗盡。所以它并不能安全地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)資源管理。
finalize()在后序的版本中已標(biāo)記過(guò)時(shí)‌，Java 官方明確建議避免使用（詳見(jiàn) JEP 421）

我們無(wú)法預(yù)知GC什么時(shí)候發(fā)生，這也會(huì)導(dǎo)致其它非預(yù)期的行為出現(xiàn)，例如CMS垃圾收集器發(fā)生FullGC，這樣的FullGC收集效率低，STW時(shí)間長(zhǎng)，如果此時(shí)有大量的Http請(qǐng)求，可能會(huì)在某個(gè)時(shí)刻有大量超時(shí)行為發(fā)生。

4、GC移動(dòng)對(duì)象

Java對(duì)象在GC后會(huì)被移動(dòng)到其它地方，所以在GC期間不允許操作Java對(duì)象，引用這個(gè)Java對(duì)象的地址在GC后也需要更新。

4.1、臨界區(qū)

之前寫(xiě)過(guò)一篇文章”GC垃圾收集時(shí)，居然還有用戶線程在奔跑“，在GC發(fā)生期間，執(zhí)行本地native的線程還在運(yùn)行，不過(guò)這個(gè)線程可能會(huì)持有Java對(duì)象的間接引用，對(duì)對(duì)象的操作都需要通過(guò)JNI API來(lái)完成。

通過(guò)JNI API操作數(shù)組的方式是使用GetXXXArrayElements和ReleaseXXXArrayElements，不過(guò)這樣的操作非常影響效率，因?yàn)镚C會(huì)讓數(shù)組在內(nèi)存中的位置發(fā)生變化，以及直接將Java堆上的內(nèi)存地址交給用戶有些不安全，因此GetXXXArrayElements返回給用戶的是一個(gè)數(shù)組副本，而ReleaseXXXArrayElements則是將副本復(fù)制回Java堆中真實(shí)的數(shù)組里。

舉個(gè)例子如下：

JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_hotspotvm_TestArray_mul(
     JNIEnv *env, jclass klass, 
     jfloatArray mat1, jfloatArray mat2)
{
    jboolean isCopyA, isCopyB;
    float *A = env->GetFloatArrayElements(mat1, &isCopyA);
    float *B = env->GetFloatArrayElements(mat2, &isCopyB);
    mult_SSE(A, B);
    // 第3個(gè)參數(shù)0表示將修改后的數(shù)據(jù)同步回 Java 數(shù)組，并釋放本地緩沖區(qū)
    env->ReleaseFloatArrayElements(mat1, A, 0);
    // 不將修改同步回 Java 數(shù)組，直接釋放緩沖區(qū)（適用于只讀操作）
    env->ReleaseFloatArrayElements(mat2, B, JNI_ABORT);
}

其實(shí)在調(diào)用GetFloatArrayElements()時(shí)返回的是數(shù)組副本。

為了提高性能，我們可以使用臨界區(qū)，在臨界區(qū)內(nèi)不允許發(fā)生GC，這樣就不用進(jìn)行數(shù)組副本的拷貝了，如下：

JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_hotspotvm_TestArray_mul(
     JNIEnv *env, jclass klass, 
     jfloatArray mat1, jfloatArray mat2)
{
    jboolean isCopyA, isCopyB;
    float *A = static_cast<float*>(env->GetPrimitiveArrayCritical(mat1, &isCopyA));
    float *B = static_cast<float*>(env->GetPrimitiveArrayCritical(mat2, &isCopyB));
    mult_SSE(A, B);
    env->ReleasePrimitiveArrayCritical(mat1, A, 0);
    env->ReleasePrimitiveArrayCritical(mat2, B, JNI_ABORT);
}

將GetFloatArrayElements和ReleaseFloatArrayElements換成GetPrimitiveArrayCritical和ReleasePrimitiveArrayCritical就行了。CriticalArray則是為了解決數(shù)組副本問(wèn)題，它是通過(guò)在GetPrimitiveArrayCritical和ReleasePrimitiveArrayCritical中創(chuàng)建一個(gè)阻止GC的臨界區(qū)，得以將數(shù)組的真實(shí)數(shù)據(jù)直接暴露給用戶。

JNIEXPORT void JNICALL JavaCritical_cn_hotspotvm_TestArray_mul( 
 jint length1, jfloat* mat1,
 jint length2, jfloat* mat2)
{
   mult_SSE(mat1, mat2);
}

CriticalNative是一種特殊的JNI函數(shù)，整個(gè)函數(shù)都是一個(gè)臨界區(qū)(當(dāng)然，也包括跳過(guò)一些非關(guān)鍵的安全檢查)，能夠以犧牲JVM整體穩(wěn)定性獲取最大的性能。 由于最初是被設(shè)計(jì)為JRE的加密模塊使用，考慮到現(xiàn)在的加密算法大多以塊為單位，換句話說(shuō)大多數(shù)情況下需要在JNI中頻繁傳遞小規(guī)模的數(shù)組，CriticalNative被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)組的傳遞進(jìn)行優(yōu)化。

JavaCritical函數(shù)相比較之前的版本，能更進(jìn)一步減少JNI調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)，這是由于它可以跳過(guò)一些"多余"的檢查，并進(jìn)入一個(gè)禁止JVM進(jìn)行垃圾回收的臨界區(qū)，以此來(lái)獲得性能上的提升。

4.2、堆外內(nèi)存

許多的通信框架都會(huì)開(kāi)辟一塊堆外內(nèi)存來(lái)提高效率，如netty等。實(shí)際上，在網(wǎng)絡(luò)和磁盤(pán)IO過(guò)程中，如果數(shù)據(jù)是在Heap里的，最終也還是會(huì)拷貝一份到堆外，然后再進(jìn)行發(fā)送。原因在于，操作系統(tǒng)把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)或網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要求數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域不能變動(dòng)，但是GC會(huì)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行整理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)內(nèi)存地址發(fā)生變化，所以只能先拷貝到堆外內(nèi)存（不受GC影響），然后把這個(gè)地址發(fā)給操作系統(tǒng)。

源代碼位置：openjdk/jdk/src/share/classes/sun/nio/ch/IOUtil.java
static int read(FileDescriptor fd, 
    ByteBuffer dst, long position,
    NativeDispatcher nd)
        throws IOException
{
        if (dst.isReadOnly())
            throw new IllegalArgumentException("Read-only buffer");
        // 如果是在堆外內(nèi)存DirectBuffer時(shí),直接讀取內(nèi)容并返回就可以
        if (dst instanceof DirectBuffer)
            return readIntoNativeBuffer(fd, dst, position, nd);
        // 申請(qǐng)一個(gè)臨時(shí)的DirectBuffer
        ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining());
        try {
            // 將堆中的內(nèi)容拷貝到DirectBuffer
            int n = readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
            bb.flip();
            if (n > 0)
                dst.put(bb);
            return n;
        } finally {
            Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
        }
}

在Java中有個(gè)DirectByteBuffer，DirectByteBuffer在創(chuàng)建的時(shí)候會(huì)通過(guò)Unsafe的native方法直接在Java堆外通過(guò)malloc分配一塊內(nèi)存，然后通過(guò)Unsafe的native方法來(lái)操作這塊內(nèi)存。對(duì)于需要頻繁操作的內(nèi)存，并且僅僅是臨時(shí)存在一會(huì)的，都建議使用堆外內(nèi)存，并且做成緩沖池，不斷循環(huán)利用這塊內(nèi)存。

舉個(gè)例子如下：

try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("/tmp/data.txt"), StandardOpenOption.READ)) {
     // 直接緩沖區(qū)
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
    while (channel.read(buffer) > 0) {
        buffer.flip();
        // 處理數(shù)據(jù)...
        buffer.clear();
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

調(diào)用FileChannel的open()方法會(huì)返回一個(gè)FileChannelmpl實(shí)例，這個(gè)實(shí)例的read()方法會(huì)調(diào)用IOUtil.read()方法，這個(gè)方法這是我們上面介紹的方法。

到此這篇關(guān)于Java虛擬機(jī)GC的各種缺點(diǎn)匯總的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java虛擬機(jī)GC內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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