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浅谈Java 虚拟机垃圾收集算法的研究和改进

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浅谈Java 虚拟机垃圾收集算法的研究和改进
时间:2023-06-26 00:21:53     小编:刘怡光

1 垃圾收集基本算法研究和当前的瓶颈

垃圾收集器的核心是识别和回收不可到达的对象,不同的垃圾收集实现使用不同的策略来完成,它们与用户程序和调度器以不同的方式互动。有几种垃圾收集的基本策略: 引用计数、标记清除、标记整理和复制。此外,还可以按照系统运行方式来分类算法,串行收集必须在用户程序暂停时进行整个收集,并行或并发收集是使用多线程进行收集来提高效率。

1. 1 垃圾回收基本算法研究

引用计数是最基本的垃圾收集策略,早期的JVM 采用此算法,但是缺点也很明显,如它不能回收不可到达的循环结构以及需要监控每一次的内存操作; 标志清除算法主要包括扫描标志所有被应用对象,然后清除未引用对象两个步骤,最大的不足是执行时需要暂停整个程序,以及容易在堆中产生碎片; 复制算法创新地提出把堆一分为二,其中一个区域包含当前使用的活跃的数据,另一个区域未使用,垃圾回收时,遍历当前已经使用的有相关活跃对象的区域,把正在使用中的对象从当前区域复制到另外一个区域中,性能好,而且不会有碎片,主要问题就是必须要两倍的内存空间; 标记整理算法则是结合了标记清除和复制这两个算法的优点,避免了需要两倍内存空间的问题,但增加了不少复杂性,该算法也是分两阶段,第一阶段从对象根节点开始标记所有被引用对象,第二阶段遍历整个堆,清除未标记对象并且把存活对象压缩到堆的其中一块,按内存顺序排放; 分代收集利用统计学分析的方法来提高效率,分析表明大多数内存块( 90%) 的生存周期都比较短,垃圾收集器应当把更多的精力放在检查和清理新分配的内存块上,它是基于对象的生存周期统计分析后得出的算法,把对象分为年青代( 年轻的新生对象) 、年老代( 经过几次回收仍然存活的对象) 、持久代( 静态文件、JAVA 类、方法等) ,对不同生命周期的对象使用不同的算法( 如标记整理) 进行回收。

1. 2 垃圾回收的瓶颈

经过不断的算法创新和改进,垃圾回收方式已经在内存空间效率和CPU 时间效率两个方面有了非常大的提升。但仍然无法解决完全GC 带来的暂停问题。在一些对实时性要求很高的应用情形下( 如期望返回时间在几百毫秒以内),如果分代垃圾回收方式要达到这个指标,只能把最大堆的设置限制在一个较小范围内,但是这样又和应用本身的处理能力产生很大的矛盾,同样也是不能接受的。即垃圾收集的周期,以及每次收集的时间还是不确定。

2 新改进的算法

新改进的算法主要目标是在不牺牲堆空间利用效率和CPU 性能的前提下达到准实时( 可以设定和控制GC 最大暂停时间) ,如0. 5 秒。这个特性对于准实时响应的系统( 如电信系统) 而言非常重要,因为这样就再也不用担心系统会突然暂停两秒这种情况的发生了。

为了能够达到期望的目标,新的算法在原有的各种算法上进行了吸收和改进,第一方面: 新算法吸收了增量GC,将整个虚拟机堆划分为多个固定大小的区域[5],这样通过先在空间维度上的划分,然后在小粒度上处理收集的方法,为实现整个实时性目标打下一个基础。第二方面,采用了并发的快照扫描算法,进行全局范围的未到达对象周期性完整扫描。同时扫描时统计了每个小区域中的活跃对象。这个信息帮助后续选择哪一个区域进行回收。第三方面,采用新的选择回收机制估算区域级垃圾回收时间,然后根据限值选择相应的区域。

2. 1 新算法堆分区和区域结构

新算法将堆划分为多个固定大小的区域,每个区域都是在内存中一块连续的区域。当一块区域放满后,会申请新的一块区域来存放,空的区域用链表结构组织起来。区域之间的对象引用通过关系集合来维护,对于巨大的对象,如超过一个区域的一半以上,用专用的一个堆来处理这类对象。每个区域都有一个关系集合,关系集合中包含了从其他区域中引用当前区域中相关对象的引用地址,随着程序的操作,新引用或解除当前区域中的一个对象都会在关系集合中做出相应的修改。这个关系集合主要维护跨区域的对象引用联系。区域1,3中都引用了区域2 的对象b,所以区域2 关系集合中维护了相应的关系。这些区域中对象的引用关系不断地发生改变,新算法采用了卡片表来通知区域修改关系集合,每个应用的线程都有一个关联的关系集合记录,用于缓存和顺序化线程运行时造成的对于卡片的修改。另外,还有一个全局的缓存区,当应用线程执行时修改了卡片后,如果造成的改变仅为同一区域中的对象之间的关联,则不记录关系集合历史; 如造成的改变为跨区域中的对象的关联,则记录到线程的关系集合历史; 如线程的关系集合历史满了,则放入全局的缓存区中,线程自身则重新创建一个新的关系集合历史,关系集合本身也是一个由一堆卡片构成的哈希表。

下面是具体垃圾回收执行步骤。

2. 2 初始化标记

这是第一个步骤,支持多线程并发执行。主要任务是扫描并标识出虚拟机每个区域中可直接访问到的对象。虚拟机每个区域都保存了两个标识作用的位图,位图中每个元素用来标识可到达的对象。一个名称为最近引用的位图,用来保存最近扫描标志的结果。另外一个为当前引用位图,用来存放当前正在计算的临时结果。当计算完成时,会把结果复制到最近引用位图中。位图中包含了一个地址信息来指向区域中对象的起始点。

新算法设定了相关的条件来触发初始化标记这一步骤。定义了一个虚拟机堆大小的上限,称为high,另外还有一个H,H 的值为( 1-high) * 堆大小,根据虚拟机的运行情况进行动态的调整,如果引入分代方式,新算法还定义了一个限值,当堆中使用的内存超过了限值时,就会在一次清除执行完毕后在应用允许的GC 暂停时间范围内尽快地执行此步骤。

2. 3 遍历并发标记

根据前面初始化标记扫描到的对象进行遍历,以便识别这些对象的下层对象的活跃状态,对于在此期间应用线程并发修改的对象则记录到关系集合历史中,采用开始时刻点快照的方式进行对象遍历。这一过程是并行执行的,不会暂停应用程序线程。应用程序线程新创建的对象则放入比快照顶端值更高的地址区间中,这些新创建的对象默认状态即为活跃的,这一过程同时修改顶端值的信息。这样的设计不仅可以不影响应用程序,而且提高了效率。由于是并行的环境,在做并发标记扫描时还需要处理一种情况,就是其他程序修改当前快照里的对象应用。系统允许这样的修改,但是需要记录这样的修改到后续步骤处理它。

2. 4 标记停止

标志停止这个点除了需要满足遍历所有对象和清空当前的标志堆栈事件这两个条件外,还需要处理前面一步由于其它线程的修改保留下来的记录。前面两个条件容易判断,后一个条件处理比较困难。因为这些记录放在相关的线程中,需要等待相应线程操作结束后处理,有可能会引起一些等待。

2. 5 存活计算活对象和清除

前面有提过采用新的机制为了达到准实时目标。主要的算法根据前面统计的活跃对象数,设计算法比较精确地估算出每个区域的垃圾回收时间,如公式( 1) 所示。同时根据系统设定的目标最大暂停时间,来选择活跃对象最少、垃圾对象最多、收集最快的区域进行回收,这样能保证最有效率,而且暂停时间最短。如果超过设定的目标最大暂停时间,系统会推迟收集来权衡目标,通过一段时间,会有更多的非活跃对象。

C( tc) = Cfix + A* N +rtc

( T* size( r) +

S* active( r) ) ( 1)

tc 表示收集当前区域估算所需时间成本,C 表示固定的一些步骤开销。A 表示扫描卡片的平均时间,N 表示卡片数量,T 表示从关系结合中扫描出卡片的时间, size( r) 表示在关系集合r 中卡片数。S表示每个字节的扫描成本,active( r) 表示当前区域r中的存活字节数量。

在新算法中,标记停止步骤执行完,不一定会执行清除这一步骤,由于清除步骤需要暂停应用对系统有一定的影响,新算法为了能够达到准实时的要求,需要根据用户指定的最大的GC 暂停时间设定和公式( 1) 估算出的时间成本相结合来合理地规划清除动作。另外还有一些情况也会触发清除这个步骤的执行,如新算法在采用复制方法的特殊步骤情形下,采取的是当已经使用的内存空间达到了上__限时,就执行清除这个策略以保证有足够的空间用来做复制动作。再比如新算法在分代模式的情形下,根据用户指定的可接受的暂停时间和回收年轻代区域需要消耗的时间来估算出一个年轻代区域存活的数量的最大值,当虚拟机中分配对象的年轻区域存活的数量达到此值时,就会执行清除。

在这一过程中,在一些特定的情形下,会采用疏散压缩的计算来提高效率,主要是针对比较新的计算。比如说发现绝大部分当前区域的对象可以被回收掉,会立刻执行回收清除动作,然后剩下的对象疏散到其他区域,这样的动作非常大地提高了效率,而且支持并发执行。这样在多处理器的环境下更能提高效率。

运用新算法是为了尽量做到准实时的响应,例如估算暂停时间的算法、对于经常被引用的对象的特殊处理等,运用新算法也是为了能够让GC 既能够充分地回收内存,又能够尽量少地导致应用的暂停。

3 实验结果与分析

通过在几种典型的准实时应用场景中进行实验,对新算法和增量式垃圾回收算法在垃圾回收效率、平均暂停时间、暂停次数及堆空间使用等方面进行比较。运用新算法后各方面都有比较大的性能提升。新算法使用C 语言实现,而增量式垃圾回收算法直接使用Sun JDK 提供的算法。实验的应用场景包括一个大型的游戏应用和一个企业级的产品管理系统。同时还可以根据应用的情况,调节参数使系统达到比较好的状态。

4 结束语

为了实现准实时的目标,本文提出了一种新的垃圾回收算法,在堆空间划分、并发扫描及区域垃圾回收成本等方面做了很大的改进,将因垃圾收集而导致的程序暂停时间和次数限制在一个可以设定的范围内,并可以通过相关的配置参数的调节,达到一个在时间和空间成本比较高效率的状态,满足了实时性应用所要求的短暂停,并且在应用环境下取得了令人比较满意的效果,这对于有巨大缓存的各种应用而言,会有很大的帮助。

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基于计算机软件开发的JAVA编程语言研究
发布时间:2022-12-16
在现行所有计算机软件开发中使用的编程语言相比,IAVA语言之所以广受欢迎,是因为其特有的优势。在JAVA编程语言使用之初仅仅被用来作为嵌入式的系统设计方式,但是随着科技的发展,JAVA语言逐渐用于软件开发之中。1JAVA编程语言的特点JAVA编程语言在计算机软1件开发中被广泛使用,是因其本身的优势,本文对其优势的总结描述如下:第一,编写结构简单。与C++,VF、VB等语言相比,JAVA的编写方式更.........
关于城镇垃圾处理产业化发展的“两阶段”进程模式研究
发布时间:2022-10-30
5.2完善内部条件,增强自身实力 (1)实行 经济 核算。经济核算是 企业 有计划地管理经济的基本手段,实行经济核算是企业进行市场化运作的重要前提。通过经济核算,可以使企业和和全体职工及时地了解生产运营的经济效果,调动企业......
计算机理论虚拟机技术在校园网中的应用
发布时间:2022-11-14
以下为查字典论文网为您编辑的:“计算机理论虚拟机技术在校园网中的应用”,敬请关注!!计算机理论虚拟机技术在校园网中的应用虚拟机,就是虚拟出来的电脑,这个虚拟出来的电脑和真实的电脑几乎完全一样,所不同的是虚拟机的硬盘是在一个......
谈垃圾发电在环保中的作用
发布时间:2023-07-28
谈垃圾发电在环保中的作用 谈垃圾发电在环保中的作用 谈垃圾发电在环保中的作用 摘要:我国环境问题越来越严重,传统垃圾处理方式有很大局限性。垃圾发电在新时期我国环境保护中起到越来越重要的作用,也是落实科学发展观的......
花生收获集晒机的设计研究
发布时间:2016-09-06
0引言 花生是我国重要的经济作物,在我国的农作物、油料作物生产中占有重要的地位。目前,我国花生的种植、收获和加工大都靠人工完成,劳动强度大、收获效率低。随着中国社会机械化的增强,农民对花生收获环节用时长、作业成本高都有......
分析液压生活垃圾集运站设计思路
发布时间:2023-03-14
分析液压生活垃圾集运站设计思路 分析液压生活垃圾集运站设计思路 分析液压生活垃圾集运站设计思路 划 摘 要:本文就生活垃圾连续贮集、液压集运的方案进行了分析、选优,并介绍了液压垃圾集运站的设计概况 关键词:垃圾; ......
E垃圾的资源化
发布时间:2023-03-10
摘 要 本文从生活实际出发,叙述了电子产品的组成数量及其原材料构成与危害,分析了水资源的污染破坏给生物体和国民经济可持续发展造成的影响,尤其分析了E垃圾资源化的必要性与可行性,以及国际社会对电子垃圾防护治理的动向,结合我......
硬件虚拟技术在计算机实验机房中的应用
发布时间:2022-11-29
教学一般都是理论与实践相结合的,对于计算机的教学也不例外,在掌握扎实的理论知识之后,进行不断的实践,才能够获得更多的经验。在计算机实验机房中,硬件虚拟技术不仅满足了各位学生对仪器使用的需求,同时也对远程教学有了一定的技......
细说电子垃圾
发布时间:2023-08-25
随着高新技术的迅猛发展,电子产品更新换代的周期越来越短,这也使得世界上报废或“被报废”的各类计算机、手机、家用电器等电子垃圾增量惊人。 有研究表明,电子垃圾蕴含着巨大价值。废旧电器电子产品里贵金属的含量往往比矿石更高,......
有关餐厨垃圾处理工程技术的研究分析
发布时间:2017-04-13
【摘 要】餐厨垃圾是近年来一直困扰环境治理的重要问题,所以做好餐厨垃圾处理工程的研究工作十分重要。首先对烟台市餐厨垃圾处理工程的建设背景做了简单介绍,然后介绍了餐厨垃圾存在的共同特点,最后进行了餐厨垃圾处理技术的分析,......
针对SDN的虚拟私有云研究
发布时间:2022-09-08
引言 云计算的大规模运营给传统网络架构和应用部署带来挑战,新一代网络支撑这种巨型的计算服务,不论是技术革新还是架构变化,都需要服务于云计算的核心要求,即动态、弹性、灵活,并实现网络部署的简捷化。具体来说传统网络面临的挑......
计算机网络安全教学中虚拟机技术应用
发布时间:2023-01-26
摘要:随着科学技术的发展,虚拟技术越来越广泛地应用到计算机网络安全教育教学中。计算机网络安全是计算机应用中非常关注的问题,开设计算机网络安全课程,加强这方面的课程建设能够更好的适应社会发展的需求,从而促进社会的发展。本......
我国垃圾焚烧技术的现状和展望
发布时间:2023-04-18
随着经济的发展、人口的不断增多以及人民生活水平的日益提高,城市垃圾的产生量也日渐增多。在当今世界,大量的垃圾已成为城市中一个长期存在的污染源。对垃圾的处理不当,可能会造成严重的大气污染、水污染和土壤污染,并将占用大量的土......
部队后勤虚拟化管理改革探究
发布时间:2023-03-17
前言 虚拟化管理源于地方企业,他们认为虚拟企业是由一些独立公司组成的临时性网络,这些独立公司包括供应商、客户甚至竞争对手,他们通过信息技术组成一个整体,共享技术、共担成本并可以进入彼此的市场。虚拟企业没有办公中心,也没......
民法视域下网络虚拟财产的保护研究
发布时间:2015-09-08
摘 要 随着计算机技术的进步与网络游戏产业的日渐繁荣,因网络虚拟财产引发的纠纷越来越多,通过法律手段来保护网络虚拟财产已经成为法学界日益关注的问题。本文首先分析了民法视域下网络虚拟财产的属性与定位,探讨了利用民法保护网......
关于城镇垃圾处理产业化发展的“两阶段”进程模式研究
发布时间:2022-12-31
1、产业化发展的必然性 随着我国城市化进程的加快和居民消费水平的提高,城镇生活垃圾产量与El俱增,现已达到年产1.35亿吨,且每年以8%的速度增长。由于产生量远大于清运量和无害化处理量,致使我国城市垃圾历史累计积存量高达70多亿......
城市生活垃圾进行综合利用的新技术
发布时间:2023-01-10
简介: 利用全液压驱动翻堆机对城市生活垃圾进行综合处理的新技术,全液压驱动翻堆机是一种集机、电、液一体化的高效设备。它可以在喷洒菌种的同时对垃圾进行通气、破碎、松散、混合和翻转,并使垃圾保持理想的条形堆形状。对垃圾进行密......
电子垃圾污染环境立法探讨
发布时间:2013-12-17
简介: 电子垃圾就是指各类报废的电子产品,包括各种废旧电脑,通信设备、电视机、电冰箱以及被淘汰的精密电子仪器仪表等。市场上大部分的电子电器产品都含有铅、汞、镉、六价铬、聚溴联苯(PBB)和聚溴二苯醚(PBDE)等大量有害物质。如......
计算机网络硬件通信虚拟实验系统
发布时间:2023-01-01
所谓的虚拟实验教学系统是一种运用虚拟现实技术模拟真实实验的网络化计算机教学系统,是面向教学的虚拟实验室。与此同时虚拟实验系统,在一定程度上能够打破人们在时间上一级空间上的阻碍,最大程度的突破时间、地点以及设备数量的限制。更加方面人们之间的相互沟通以及相互交流。虚拟实验系统具有其他系统所不能比拟的自身优势,其充分的将网络教学完美融合与实际的计算机通信课程中,并且建设速度较快,成本相对较低,且在实际的.........
城市有机垃圾处理最佳方案探讨
发布时间:2023-08-06
简介: 文章分析了城市有机垃圾处理现有技术的利弊,介绍了作者开发的用于居民小区的有机垃圾处理机,可将有机垃圾消灭在源头。关键字:有机垃圾处理机源头处理 最佳方案1 引言 城市垃圾处理问题已经成为当今世界环保领域中的一项重大研......
虚拟云计算技术的分析
发布时间:2023-05-20
引言 科技文明像车轮一样带动现实社会不断前行,虚拟计算机网络搭载这列火车也走出自己前行的轨迹,放射出大量信息引发人们心灵的震动。在这其中,虚拟云计算技术又借助当今网络服务平台的东风,将网络应用发扬光大,进而也为计算机网......
垃圾严重污染海洋
发布时间:2023-04-22
排放垃圾数量最多的前20个国家都是沿海地带人口稠密的发展中国家,只有第20名的美国例外。目前每年从美国进入海洋的塑料污染总量大约为7.5万吨,但美国每年循环利用的塑料大约为280万吨。中国每年排放的塑料垃圾达240万吨,约为全球总......
探究城市生活垃圾填埋处置社会成本核算方法与应用
发布时间:2023-01-12
我国城市生活垃圾产生量不断增加,从2000 年的1. 18 亿吨增长至2012 年的1. 71 亿吨; 与此同时,北京市生活垃圾产生量从244. 39 万吨增加到648. 31 万吨,2012 年人均垃圾日清运量达到1. 0kg,而台北市已降到0. 37kg。随着垃圾处置量稳......
虚拟财产的法律探讨
发布时间:2023-01-11
摘要:面对着日益复杂的经济生活环境,人们不但期待着自己的物化财产得到切实保护也期待着网络虚拟财产得到充分的保护。本文主要在对虚拟财.........
常温下生活垃圾渗滤液处理工艺研究
发布时间:2023-04-11
摘要:填埋法在我国城市生活垃圾处理中,使用率达到90%以上。垃圾渗滤液是堆放、填埋生活垃圾环节出现的二次污染,其为较强污染性的高浓度有机废水。据研究分析得出,渗滤液内存在的毒性物质、致癌物质较多,如在自然条件进行降解,花费时间较长,大约为15年。如无法合理有效地处理生活垃圾渗滤液,将严重污染环境。目前,针对中、高温条件下生活垃圾渗滤液处理已经获取了良好成效,而常、低温条件下处理效果并不显著。本文在.........
基于模拟退火的多跑道飞机排序算法研究
发布时间:2022-12-17
0 引言 近来,航空运输的运输量越来越大。作为客货集散中心的机场,如何合理有效地使用各种资源成为了需要深入研究和解决的问题。其中,飞机在滑行道上的滑行效率对机场和航空公司的经济效益影响很大;滑行过程也是飞机事故多发环节等......
谈宁夏吴忠市城市垃圾处理
发布时间:2023-05-26
谈宁夏吴忠市城市垃圾处理 谈宁夏吴忠市城市垃圾处理 谈宁夏吴忠市城市垃圾处理 摘要:城市是人类社会文明的结晶,城市环境卫生的好坏直接反映着一个城市的精神面貌和市民的生活环境素质。 关键词:城市垃圾 存在问题 处......
谈如何处理城市中暴露垃圾
发布时间:2023-08-07
谈如何处理城市中暴露垃圾 谈如何处理城市中暴露垃圾 谈如何处理城市中暴露垃圾 摘要: 所谓垃圾不暴露,是指市民倾倒垃圾后,垃圾不再暴露在人们的视线里。过去,无论生活还是医疗等垃圾,人们都将这些污染严重的残剩物倾倒......
高速列车牵引电机的同步虚拟主轴控制研究
发布时间:2023-08-06
0 引 言 高速动车组一般是指运营时速350 km以上,运量大,密度高,距离长的新一代高速列车。以主流的CRH02型高速列车为例,其能在200 km/h~300 km/h速度区间内正常运行。列车运行时,采用8节编组,4动4拖的分布。其中8个编组又被分为......
餐厨垃圾零排放生物处理技术的应用研究
发布时间:2023-08-06
前言 我们感到很自豪,因为我们研发的餐厨垃圾零排放处理技术是一种高效安全的餐厨垃圾源头处理技术。它不但解决了目前生化处理设备存在的不耐湿的通病,无需进行脱水前处理,而且降解率高达 99.2%,降解后无残留,无需清运。此项最新......
基于虚拟仪器的虚拟信号发生器和示波器的实现
发布时间:2023-01-22
基于虚拟仪器的虚拟信号发生器和示波器的实现 摘要:本文介绍了虚拟仪器的基本框架和总体设计思想。在此基础上,利用虚拟仪器开发平台LabVIEW和数据采集卡PC......
改进的空域网络编码协作分集算法
发布时间:2023-06-20
摘要:论文介绍了改进的空域网络编码协作分集算法,分析其在网络吞吐量、分集增益和检测复杂度方面的性能,并对符号错误概率进行计算机仿真。 关键词:协作分集 空域 网络编码 1 前言 基于网络编码的协作分集技术[1]的核心思想......
城市垃圾处理产业化的现状和对策
发布时间:2023-08-07
简介: 几年来,全国不少城市环卫部门在城市垃圾回收、运输和处理方面投入了大量人力、物力和财力,城市垃圾处理工作取得了长足的进展。但发展速度较慢、垃圾处理技术落后,尤其是运行经费的欠缺,垃圾包围城市、垃圾污染城市的现象仍十......
垃圾成了香饽饽
发布时间:2023-08-05
马凯是环通公司的一名后勤人员,主要负责清理工厂生产过程中产生的垃圾。 最近,彩虹桥垃圾站的老站长调走了,又来了一个叫刘彩霞的女站长。马凯第一天开着卡车拉着垃圾来彩虹桥就被刘彩霞给来了个下马威。刘彩霞皱着眉头说:“我们彩......
污泥、垃圾的OTM好氧生化处理法
发布时间:2013-12-17
简介: “堆肥”是一个古老的名词,在垃圾处理中,更准确的理解应是污泥、垃圾的好氧生化处理。关键字:污泥垃圾OTM好氧生化处理法 污泥、垃圾的OTM好氧生化处理法下载(PDF格式):污泥、垃圾的OTM好氧生化处理法......

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