Java通過垃圾收集器（Garbage Collection，簡稱GC）實現(xiàn)自動內(nèi)存管理，這樣可有效減輕Java應(yīng)用開發(fā)人員的負擔(dān)，也避免了更多內(nèi)存泄露的風(fēng)險。

如果你用過C++等需要手動管理內(nèi)存的語言，那么你就會體會到GC帶來的便利，降低了語言使用的門檻。

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

1、停頓（SWT，stop-the-world）

在垃圾收集時，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，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會讓所有業(yè)務(wù)線程暫停執(zhí)行，等待GC的標記，即使是ZGC以及C4等相對先進的垃圾收集器，仍然在根掃描等階段避免不了完全STW。這會降低整個業(yè)務(wù)的吞吐量，因為垃圾收集并不是在做業(yè)務(wù)相關(guān)的事情。STW也會讓增加時延，降低響應(yīng)速度。

如果你的應(yīng)用程序關(guān)注的是時延，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。

另外，整個虛擬機是一個系統(tǒng)，而GC也是這個系統(tǒng)的一部分，并不是單獨運行，需要和棧、編譯器以及線程等交互，線程安全點的檢查和寫屏障等也會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來保證年輕代GC的順利執(zhí)行。

為了實現(xiàn)單獨回收年輕代GC，需要將老年代的對象也做為根對象進行掃描，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)進行輔助，這些都需要空間，如卡表通常是512字節(jié)需要1個字節(jié)的卡表，那么一個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，通常會調(diào)用mmap()申請和分配，不過Linux采用的是兩階段提交，也就是說首先會申請到虛擬內(nèi)存空間，當(dāng)某個地址被訪問時才會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)不指定時可由GC自動調(diào)整，不過好像大多數(shù)人在使用時仍然會為虛擬機指定堆大小參數(shù)，甚至?xí)榱私档脱舆t配置AlwaysPreTouch等參數(shù)，讓堆提前申請到所有的物理內(nèi)存，避免在程序運行時動態(tài)分配，影響效率。無論是手動還是自動調(diào)整的堆大小，一旦申請到了物理空間后就不會釋放，試想一下，如果在流量高峰時，可能申請到了許多的物理內(nèi)存，而在流量低時內(nèi)存利用率可能非常低，不過阿里的JDK開發(fā)過歸還物理內(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。這些措施有利于提高內(nèi)存使用率。

3、GC發(fā)生時間未知

當(dāng)GC發(fā)生時間未知時，Java對象什么時候被回收就不確定，也就是Java的生命周期（存活時間）不確定。垃圾收集發(fā)生的時機沒有確定性，也不是以固定的頻率發(fā)生，這也會造成一些浮動垃圾，也就是本來需要回收的對象還在占用空間，不能及時釋放也會影響到空間利用率。

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

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

class ResoruceMark{
   ResourceMark(){
     // 在構(gòu)造函數(shù)中申請資源，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; // 申請到資源
  ...
 // mark生命周期已經(jīng)結(jié)束，自動調(diào)用構(gòu)造函數(shù)釋放資源
}

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

Java的finalize()機制也嘗試提供自動資源管理，可通過重寫finalize()方法來釋放資源（類似于C++的析構(gòu)函數(shù)），當(dāng)對象被回收時，自動調(diào)用這個finalize()方法釋放資源。

在HotSpot VM中，在GC進行可達性分析的時候，如果當(dāng)前對象是finalize類型的對象（重寫了finalize()方法的對象），并且本身不可達，則會被加入到一個ReferenceQueue類型的隊列中。而系統(tǒng)在初始化的過程中，會啟動一個FinalizerThread類型的守護線程（線程名Finalizer），該線程會不斷消費ReferenceQueue中的對象，并執(zhí)行其finalize()方法。對象在執(zhí)行finalize()方法后，只是斷開了與Finalizer的關(guān)聯(lián)，并不意味著會立即被回收，還是要等待下一次GC時才會被回收，而每個對象的finalize()方法都只會執(zhí)行一次，不會重復(fù)執(zhí)行。

它的問題在于，這個finalize()方法非常依賴于GC回收動作，GC運行的時間是不確定的，所以finalize()方法什么時候被調(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finalze()遲遲不發(fā)生的話，那么這從某種意義上來說，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現(xiàn)自動資源管理。
finalize()在后序的版本中已標記過時‌，Java 官方明確建議避免使用（詳見 JEP 421）

我們無法預(yù)知GC什么時候發(fā)生，這也會導(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時間長，如果此時有大量的Http請求，可能會在某個時刻有大量超時行為發(fā)生。

4、GC移動對象

Java對象在GC后會被移動到其它地方，所以在GC期間不允許操作Java對象，引用這個Java對象的地址在GC后也需要更新。

4.1、臨界區(qū)

之前寫過一篇文章”GC垃圾收集時，居然還有用戶線程在奔跑“，在GC發(fā)生期間，執(zhí)行本地native的線程還在運行，不過這個線程可能會持有Java對象的間接引用，對對象的操作都需要通過JNI API來完成。

通過JNI API操作數(shù)組的方式是使用GetXXXArrayElements和ReleaseXXXArrayElements，不過這樣的操作非常影響效率，因為GC會讓數(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數(shù)組副本，而ReleaseXXXArrayElements則是將副本復(fù)制回Java堆中真實的數(shù)組里。

舉個例子如下：

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);
}

其實在調(diào)用GetFloatArrayElements()時返回的是數(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)組副本問題，它是通過在GetPrimitiveArrayCritical和ReleasePrimitiveArrayCritical中創(chuàng)建一個阻止GC的臨界區(qū)，得以將數(shù)組的真實數(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)，整個函數(shù)都是一個臨界區(qū)(當(dāng)然，也包括跳過一些非關(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被專門設(shè)計對數(shù)組的傳遞進行優(yōu)化。

JavaCritical函數(shù)相比較之前的版本，能更進一步減少JNI調(diào)用開銷，這是由于它可以跳過一些"多余"的檢查，并進入一個禁止JVM進行垃圾回收的臨界區(qū)，以此來獲得性能上的提升。

4.2、堆外內(nèi)存

許多的通信框架都會開辟一塊堆外內(nèi)存來提高效率，如netty等。實際上，在網(wǎng)絡(luò)和磁盤IO過程中，如果數(shù)據(jù)是在Heap里的，最終也還是會拷貝一份到堆外，然后再進行發(fā)送。原因在于，操作系統(tǒng)把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入磁盤或網(wǎng)絡(luò)時，要求數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域不能變動，但是GC會對內(nèi)存進行整理，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,直接讀取內(nèi)容并返回就可以
        if (dst instanceof DirectBuffer)
            return readIntoNativeBuffer(fd, dst, position, nd);
        // 申請一個臨時的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DirectByteBuffer，DirectByteBuffer在創(chuàng)建的時候會通過Unsafe的native方法直接在Java堆外通過malloc分配一塊內(nèi)存，然后通過Unsafe的native方法來操作這塊內(nèi)存。對于需要頻繁操作的內(nèi)存，并且僅僅是臨時存在一會的，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()方法會返回一個FileChannelmpl實例，這個實例的read()方法會調(diào)用IOUtil.read()方法，這個方法這是我們上面介紹的方法。

到此這篇關(guān)于Java虛擬機GC的各種缺點匯總的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java虛擬機GC內(nèi)容請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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