JVM相关 - 深入理解 System.gc()

小鱼儿 2022-11-03 00:43 156阅读 0赞

> 本文基于 Java 17-ea，但是相关设计在 Java 11 之后是大致一样的

我们经常在面试中询问 `System.gc()` 究竟会不会**立刻**触发 **Full GC**，网上也有很多人给出了答案，但是这些答案都有些过时了。本文基于最新的 Java 的下一个即将发布的 LTS 版本 Java 17（ea）的源代码，深入解析 System.gc() 背后的故事。

## 为什么需要`System.gc()` ##

### 1. 使用并管理堆外内存的框架，需要 Full GC 的机制触发堆外内存回收 ###

JVM 的内存，不止堆内存，还有其他很多块，通过 Native Memory Tracking 可以看到：

Native Memory Tracking:
    
    Total: reserved=6308603KB, committed=4822083KB
    -                 Java Heap (reserved=4194304KB, committed=4194304KB)
                                (mmap: reserved=4194304KB, committed=4194304KB) 
     
    -                     Class (reserved=1161041KB, committed=126673KB)
                                (classes #21662)
                                (  instance classes #20542, array classes #1120)
                                (malloc=3921KB #64030) 
                                (mmap: reserved=1157120KB, committed=122752KB) 
                                (  Metadata:   )
                                (    reserved=108544KB, committed=107520KB)
                                (    used=105411KB)
                                (    free=2109KB)
                                (    waste=0KB =0.00%)
                                (  Class space:)
                                (    reserved=1048576KB, committed=15232KB)
                                (    used=13918KB)
                                (    free=1314KB)
                                (    waste=0KB =0.00%)
     
    -                    Thread (reserved=355251KB, committed=86023KB)
                                (thread #673)
                                (stack: reserved=353372KB, committed=84144KB)
                                (malloc=1090KB #4039) 
                                (arena=789KB #1344)
     
    -                      Code (reserved=252395KB, committed=69471KB)
                                (malloc=4707KB #17917) 
                                (mmap: reserved=247688KB, committed=64764KB) 
     
    -                        GC (reserved=199635KB, committed=199635KB)
                                (malloc=11079KB #29639) 
                                (mmap: reserved=188556KB, committed=188556KB) 
     
    -                  Compiler (reserved=2605KB, committed=2605KB)
                                (malloc=2474KB #2357) 
                                (arena=131KB #5)
     
    -                  Internal (reserved=3643KB, committed=3643KB)
                                (malloc=3611KB #8683) 
                                (mmap: reserved=32KB, committed=32KB) 
     
    -                     Other (reserved=67891KB, committed=67891KB)
                                (malloc=67891KB #2859) 
     
    -                    Symbol (reserved=26220KB, committed=26220KB)
                                (malloc=22664KB #292684) 
                                (arena=3556KB #1)
     
    -    Native Memory Tracking (reserved=7616KB, committed=7616KB)
                                (malloc=585KB #8238) 
                                (tracking overhead=7031KB)
     
    -               Arena Chunk (reserved=10911KB, committed=10911KB)
                                (malloc=10911KB) 
     
    -                   Tracing (reserved=25937KB, committed=25937KB)
                                (malloc=25937KB #8666) 
     
    -                   Logging (reserved=5KB, committed=5KB)
                                (malloc=5KB #196) 
     
    -                 Arguments (reserved=18KB, committed=18KB)
                                (malloc=18KB #486) 
     
    -                    Module (reserved=532KB, committed=532KB)
                                (malloc=532KB #3579) 
     
    -              Synchronizer (reserved=591KB, committed=591KB)
                                (malloc=591KB #4777) 
     
    -                 Safepoint (reserved=8KB, committed=8KB)
                                (mmap: reserved=8KB, committed=8KB)

*  Java Heap: 堆内存，即`-Xmx`限制的最大堆大小的内存。
 *  Class：加载的类与方法信息，其实就是 metaspace，包含两部分： 一是 metadata，被`-XX:MaxMetaspaceSize`限制最大大小，另外是 class space，被`-XX:CompressedClassSpaceSize`限制最大大小
 *  Thread：线程与线程栈占用内存，每个线程栈占用大小受`-Xss`限制，但是总大小没有限制。
 *  Code：JIT 即时编译后（C1 C2 编译器优化）的代码占用内存，受`-XX:ReservedCodeCacheSize`限制
 *  GC：垃圾回收占用内存，例如垃圾回收需要的 CardTable，标记数，区域划分记录，还有标记 GC Root 等等，都需要内存。这个不受限制，一般不会很大的。
 *  Compiler：C1 C2 编译器本身的代码和标记占用的内存，这个不受限制，一般不会很大的
 *  Internal：命令行解析，JVMTI 使用的内存，这个不受限制，一般不会很大的
 *  Symbol: 常量池占用的大小，字符串常量池受`-XX:StringTableSize`个数限制，总内存大小不受限制
 *  Native Memory Tracking：内存采集本身占用的内存大小，如果没有打开采集（那就看不到这个了，哈哈），就不会占用，这个不受限制，一般不会很大的
 *  Arena Chunk：所有通过 arena 方式分配的内存，这个不受限制，一般不会很大的
 *  Tracing：所有采集占用的内存，如果开启了 JFR 则主要是 JFR 占用的内存。这个不受限制，一般不会很大的
 *  Logging，Arguments，Module，Synchronizer，Safepoint，Other，这些一般我们不会关心。

除了 Native Memory Tracking 记录的内存使用，还有两种内存 **Native Memory Tracking 没有记录**，那就是：

*  Direct Buffer：直接内存
 *  MMap Buffer：文件映射内存

针对除了堆内存以外，其他的内存，有些也是需要 GC 的。例如：MetaSpace，CodeCache，Direct Buffer，MMap Buffer 等等。早期在 Java 8 之前的 JVM，对于这些内存回收的机制并不完善，很多情况下都需要 **FullGC** 扫描整个堆才能确定这些区域中哪些内存可以回收。

有一些框架，大量使用并管理了这些堆外空间。例如 netty 使用了 Direct Buffer，Kafka 和 RocketMQ 使用了 Direct Buffer 和 MMap Buffer。他们都是提前从系统申请好一块内存，之后管理起来并使用。在空间不足时，继续向系统申请，并且也会有缩容。例如 netty，在使用的 Direct Buffer 达到`-XX:MaxDirectMemorySize`的限制之后，则会先尝试将不可达的Reference对象加入Reference链表中，依赖Reference的内部守护线程触发可以被回收DirectByteBuffer关联的Cleaner的run()方法。如果内存还是不足， 则执行`System.gc()`，期望触发`full gc`，来回收堆内存中的`DirectByteBuffer`对象来触发堆外内存回收，如果还是超过限制，则抛出`java.lang.OutOfMemoryError`.

### 2. 使用了 WeakReference， SoftReference 的程序，需要相应的 GC 回收。 ###

对于 WeakReference，只要发生 GC，无论是 Young GC 还是 FullGC 就会被回收。SoftReference 只有在 FullGC 的时候才会被回收。当我们程序想主动对于这些引用进行回收的时候，需要能触发 GC 的方法，这就用到了`System.gc()`。

### 3. 测试，学习 JVM 机制的时候 ###

有些时候，我们为了测试，学习 JVM 的某些机制，需要让 JVM 做一次 GC 之后开始，这也会用到`System.gc()`。但是其实有更好的方法，后面你会看到。

## `System.gc()` 背后的原理 ##

`System.gc()`实际上调用的是`RunTime.getRunTime().gc()`:

public static void gc() {
        Runtime.getRuntime().gc();
    }

这个方法是一个 native 方法：

public native void gc();

对应 JVM 源码：

JVM_ENTRY_NO_ENV(void, JVM_GC(void))
      JVMWrapper("JVM_GC");
      //如果没有将JVM启动参数 DisableExplicitGC 设置为 false，则执行 GC，GC 原因是 System.gc 触发，对应 GCCause::_java_lang_system_gc
      if (!DisableExplicitGC) {
        Universe::heap()->collect(GCCause::_java_lang_system_gc);
      }
    JVM_END

首先，根据 DisableExplicitGC 这个 JVM 启动参数的状态，确定是否会 GC，如果需要 GC，不同 GC 会有不同的处理。

### 1. G1 GC 的处理 ###

如果是 `System.gc()` 触发的 GC，G1 GC 会根据 ExplicitGCInvokesConcurrent 这个 JVM 参数决定是默认 GC （轻量 GC，YoungGC）还是 FullGC。

参考代码[`g1CollectedHeap.cpp`][g1CollectedHeap.cpp]：

//是否应该并行 GC，也就是较为轻量的 GC，对于 GCCause::_java_lang_system_gc，这里就是判断 ExplicitGCInvokesConcurrent 这个 JVM 是否为 true
    if (should_do_concurrent_full_gc(cause)) {
        return try_collect_concurrently(cause,
                                        gc_count_before,
                                        old_marking_started_before);
    }// 省略其他这里我们不关心的判断分支
     else {
        //否则进入 full GC
        VM_G1CollectFull op(gc_count_before, full_gc_count_before, cause);
        VMThread::execute(&op);
        return op.gc_succeeded();
    }

### 2. ZGC 的处理 ###

直接不处理，不支持通过 `System.gc()` 触发 GC。

参考源码：[`zDriver.cpp`][zDriver.cpp]

void ZDriver::collect(GCCause::Cause cause) {
      switch (cause) {
      //注意这里的 _wb 开头的 GC 原因，这代表是 WhiteBox 触发的，后面我们会用到，这里先记一下
      case GCCause::_wb_young_gc:
      case GCCause::_wb_conc_mark:
      case GCCause::_wb_full_gc:
      case GCCause::_dcmd_gc_run:
      case GCCause::_java_lang_system_gc:
      case GCCause::_full_gc_alot:
      case GCCause::_scavenge_alot:
      case GCCause::_jvmti_force_gc:
      case GCCause::_metadata_GC_clear_soft_refs:
        // Start synchronous GC
        _gc_cycle_port.send_sync(cause);
        break;
    
      case GCCause::_z_timer:
      case GCCause::_z_warmup:
      case GCCause::_z_allocation_rate:
      case GCCause::_z_allocation_stall:
      case GCCause::_z_proactive:
      case GCCause::_z_high_usage:
      case GCCause::_metadata_GC_threshold:
        // Start asynchronous GC
        _gc_cycle_port.send_async(cause);
        break;
    
      case GCCause::_gc_locker:
        // Restart VM operation previously blocked by the GC locker
        _gc_locker_port.signal();
        break;
    
      case GCCause::_wb_breakpoint:
        ZBreakpoint::start_gc();
        _gc_cycle_port.send_async(cause);
        break;
    
      //对于其他原因，不触发GC，GCCause::_java_lang_system_gc 会走到这里
      default:
        // Other causes not supported
        fatal("Unsupported GC cause (%s)", GCCause::to_string(cause));
        break;
      }
    }

### 3. Shenandoah GC 的处理 ###

Shenandoah 的处理**和 G1 GC 的类似**，先**判断是不是用户明确触发的 GC**，然后通过 DisableExplicitGC 这个 JVM 参数判断是否可以 GC（其实这个是多余的，可以去掉，因为外层`JVM_ENTRY_NO_ENV(void, JVM_GC(void))`已经处理这个状态位了）。如果可以，则请求 GC，阻塞等待 GC 请求被处理。然后**根据 ExplicitGCInvokesConcurrent 这个 JVM 参数决定是默认 GC （轻量并行 GC，YoungGC）还是 FullGC**。

参考源码[`shenandoahControlThread.cpp`][shenandoahControlThread.cpp]

void ShenandoahControlThread::request_gc(GCCause::Cause cause) {
      assert(GCCause::is_user_requested_gc(cause) ||
             GCCause::is_serviceability_requested_gc(cause) ||
             cause == GCCause::_metadata_GC_clear_soft_refs ||
             cause == GCCause::_full_gc_alot ||
             cause == GCCause::_wb_full_gc ||
             cause == GCCause::_scavenge_alot,
             "only requested GCs here");
      //如果是显式GC（即如果是GCCause::_java_lang_system_gc，GCCause::_dcmd_gc_run，GCCause::_jvmti_force_gc，GCCause::_heap_inspection，GCCause::_heap_dump中的任何一个）
      if (is_explicit_gc(cause)) {
        //如果没有关闭显式GC，也就是 DisableExplicitGC 为 false
        if (!DisableExplicitGC) {
          //请求 GC
          handle_requested_gc(cause);
        }
      } else {
        handle_requested_gc(cause);
      }
    }

请求 GC 的代码流程是：

void ShenandoahControlThread::handle_requested_gc(GCCause::Cause cause) {
      MonitorLocker ml(&_gc_waiters_lock);
      //获取当前全局 GC id
      size_t current_gc_id = get_gc_id();
      //因为要进行 GC ，所以将id + 1
      size_t required_gc_id = current_gc_id + 1;
      //直到当前全局 GC id + 1 为止，代表 GC 执行了
      while (current_gc_id < required_gc_id) {
        //设置 gc 状态位，会有其他线程扫描执行 gc
        _gc_requested.set();
        //记录 gc 原因，根据不同原因有不同的处理策略，我们这里是 GCCause::_java_lang_system_gc
        _requested_gc_cause = cause;
        //等待 gc 锁对象 notify，代表 gc 被执行并完成
        ml.wait();
        current_gc_id = get_gc_id();
      }
    }

对于`GCCause::_java_lang_system_gc`，GC 的执行流程大概是：

bool explicit_gc_requested = _gc_requested.is_set() &&  is_explicit_gc(_requested_gc_cause);
    
    //省略一些代码
    
    else if (explicit_gc_requested) {
      cause = _requested_gc_cause;
      log_info(gc)("Trigger: Explicit GC request (%s)", GCCause::to_string(cause));
    
      heuristics->record_requested_gc();
      // 如果 JVM 参数 ExplicitGCInvokesConcurrent 为 true，则走默认轻量 GC
      if (ExplicitGCInvokesConcurrent) {
        policy->record_explicit_to_concurrent();
        mode = default_mode;
        // Unload and clean up everything
        heap->set_unload_classes(heuristics->can_unload_classes());
      } else {
        //否则，执行 FullGC
        policy->record_explicit_to_full();
        mode = stw_full;
      }
    }

## `System.gc()` 相关的 JVM 参数 ##

### 1. DisableExplicitGC ###

**说明**：是否禁用**显式 GC**，默认是不禁用的。对于 Shenandoah GC，**显式 GC** 包括：`GCCause::_java_lang_system_gc`，`GCCause::_dcmd_gc_run`，`GCCause::_jvmti_force_gc`，`GCCause::_heap_inspection`，`GCCause::_heap_dump`，对于其他 GC，仅仅限制`GCCause::_java_lang_system_gc`

**默认**：false

**举例**：如果想禁用显式 GC：`-XX:+DisableExplicitGC`

### 2. ExplicitGCInvokesConcurrent ###

**说明**：对于**显式 GC**，是执行轻量并行 GC （YoungGC）还是 FullGC，如果为 **true 则是执行轻量并行 GC （YoungGC），false 则是执行 FullGC**

**默认**：false

**举例**：启用的话指定：`-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent`

其实，在设计上有人提出（[参考链接][Link 1]）想将 ExplicitGCInvokesConcurrent 改为 true。但是目前并不是所有的 GC 都可以在轻量并行 GC 对 Java 所有内存区域进行回收，有些时候必须通过 FullGC。所以，目前这个参数还是默认为 false

### 3. 已过期的 `ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloads` 和使用 `ClassUnloadingWithConcurrentMark` 替代 ###

如果**显式 GC**采用轻量并行 GC，那么无法执行 Class Unloading（类卸载），如果启用了类卸载功能，可能会有异常。所以通过这个状态位来标记在**显式 GC**时，即使采用轻量并行 GC，也要扫描进行类卸载。  
`ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloads`目前已经过期了，用`ClassUnloadingWithConcurrentMark`替代

参考[BUG-JDK-8170388][]

## 如何灵活可控的主动触发各种 GC？ ##

答案是通过 WhiteBox API。但是这个不要在生产上面执行，仅仅用来测试 JVM 还有学习 JVM 使用。WhiteBox API 是 HotSpot VM 自带的白盒测试工具，将内部的很多核心机制的 API 暴露出来，用于白盒测试 JVM，压测 JVM 特性，以及辅助学习理解 JVM 并调优参数。WhiteBox API 是 Java 7 引入的，目前 Java 8 LTS 以及 Java 11 LTS（其实是 Java 9+ 以后的所有版本，这里只关心 LTS 版本，Java 9 引入了模块化所以 WhiteBox API 有所变化）都是有的。但是默认这个 API 并没有编译在 JDK 之中，但是他的实现是编译在了 JDK 里面了。所以如果想用这个 API，需要用户自己编译需要的 API，并加入 Java 的 BootClassPath 并启用 WhiteBox API。下面我们来用 WhiteBox API 来主动触发各种 GC。

**1. 编译 WhiteBox API**

将`https://github.com/openjdk/jdk/tree/master/test/lib`路径下的`sun`目录取出，编译成一个 jar 包，名字假设是 `whitebox.jar`

**2. 编写测试程序**

将 `whitebox.jar` 添加到你的项目依赖，之后写代码

public static void main(String[] args) throws Exception {
            WhiteBox whiteBox = WhiteBox.getWhiteBox();
            //执行young GC
            whiteBox.youngGC();
            System.out.println("---------------------------------");
            whiteBox.fullGC();
            //执行full GC
            whiteBox.fullGC();
            //保持进程不退出，保证日志打印完整
            Thread.currentThread().join();
    }

**3. 启动程序查看效果**

使用启动参数 `-Xbootclasspath/a:/home/project/whitebox.jar -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+WhiteBoxAPI -Xlog:gc` 启动程序。其中前三个 Flag 表示启用 WhiteBox API，最后一个表示打印 GC info 级别的日志到控制台。

我的输出：

[0.036s][info][gc] Using G1
    [0.048s][info][gc,init] Version: 17-internal+0-adhoc.Administrator.jdk (fastdebug)
    [0.048s][info][gc,init] CPUs: 16 total, 16 available
    [0.048s][info][gc,init] Memory: 16304M
    [0.048s][info][gc,init] Large Page Support: Disabled
    [0.048s][info][gc,init] NUMA Support: Disabled
    [0.048s][info][gc,init] Compressed Oops: Enabled (32-bit)
    [0.048s][info][gc,init] Heap Region Size: 1M
    [0.048s][info][gc,init] Heap Min Capacity: 512M
    [0.048s][info][gc,init] Heap Initial Capacity: 512M
    [0.048s][info][gc,init] Heap Max Capacity: 512M
    [0.048s][info][gc,init] Pre-touch: Disabled
    [0.048s][info][gc,init] Parallel Workers: 13
    [0.048s][info][gc,init] Concurrent Workers: 3
    [0.048s][info][gc,init] Concurrent Refinement Workers: 13
    [0.048s][info][gc,init] Periodic GC: Disabled
    [0.049s][info][gc,metaspace] CDS disabled.
    [0.049s][info][gc,metaspace] Compressed class space mapped at: 0x0000000100000000-0x0000000140000000, reserved size: 1073741824
    [0.049s][info][gc,metaspace] Narrow klass base: 0x0000000000000000, Narrow klass shift: 3, Narrow klass range: 0x140000000
    [1.081s][info][gc,start    ] GC(0) Pause Young (Normal) (WhiteBox Initiated Young GC)
    [1.082s][info][gc,task     ] GC(0) Using 12 workers of 13 for evacuation
    [1.089s][info][gc,phases   ] GC(0)   Pre Evacuate Collection Set: 0.5ms
    [1.089s][info][gc,phases   ] GC(0)   Merge Heap Roots: 0.1ms
    [1.089s][info][gc,phases   ] GC(0)   Evacuate Collection Set: 3.4ms
    [1.089s][info][gc,phases   ] GC(0)   Post Evacuate Collection Set: 1.6ms
    [1.089s][info][gc,phases   ] GC(0)   Other: 1.3ms
    [1.089s][info][gc,heap     ] GC(0) Eden regions: 8->0(23)
    [1.089s][info][gc,heap     ] GC(0) Survivor regions: 0->2(4)
    [1.089s][info][gc,heap     ] GC(0) Old regions: 0->0
    [1.089s][info][gc,heap     ] GC(0) Archive regions: 0->0
    [1.089s][info][gc,heap     ] GC(0) Humongous regions: 0->0
    [1.089s][info][gc,metaspace] GC(0) Metaspace: 6891K(7104K)->6891K(7104K) NonClass: 6320K(6400K)->6320K(6400K) Class: 571K(704K)->571K(704K)
    [1.089s][info][gc          ] GC(0) Pause Young (Normal) (WhiteBox Initiated Young GC) 7M->1M(512M) 7.864ms
    [1.089s][info][gc,cpu      ] GC(0) User=0.00s Sys=0.00s Real=0.01s
    ---------------------------------
    [1.091s][info][gc,task     ] GC(1) Using 12 workers of 13 for full compaction
    [1.108s][info][gc,start    ] GC(1) Pause Full (WhiteBox Initiated Full GC)
    [1.108s][info][gc,phases,start] GC(1) Phase 1: Mark live objects
    [1.117s][info][gc,phases      ] GC(1) Phase 1: Mark live objects 8.409ms
    [1.117s][info][gc,phases,start] GC(1) Phase 2: Prepare for compaction
    [1.120s][info][gc,phases      ] GC(1) Phase 2: Prepare for compaction 3.031ms
    [1.120s][info][gc,phases,start] GC(1) Phase 3: Adjust pointers
    [1.126s][info][gc,phases      ] GC(1) Phase 3: Adjust pointers 5.806ms
    [1.126s][info][gc,phases,start] GC(1) Phase 4: Compact heap
    [1.190s][info][gc,phases      ] GC(1) Phase 4: Compact heap 63.812ms
    [1.193s][info][gc,heap        ] GC(1) Eden regions: 1->0(25)
    [1.193s][info][gc,heap        ] GC(1) Survivor regions: 2->0(4)
    [1.193s][info][gc,heap        ] GC(1) Old regions: 0->3
    [1.193s][info][gc,heap        ] GC(1) Archive regions: 0->0
    [1.193s][info][gc,heap        ] GC(1) Humongous regions: 0->0
    [1.193s][info][gc,metaspace   ] GC(1) Metaspace: 6895K(7104K)->6895K(7104K) NonClass: 6323K(6400K)->6323K(6400K) Class: 571K(704K)->571K(704K)
    [1.193s][info][gc             ] GC(1) Pause Full (WhiteBox Initiated Full GC) 1M->0M(512M) 84.846ms
    [1.202s][info][gc,cpu         ] GC(1) User=0.19s Sys=0.63s Real=0.11s

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[g1CollectedHeap.cpp]: https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-17+11/src/hotspot/share/gc/g1/g1CollectedHeap.cpp
[zDriver.cpp]: https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-17+11/src/hotspot/share/gc/z/zDriver.cpp
[shenandoahControlThread.cpp]: https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-17+11/src/hotspot/share/gc/shenandoah/shenandoahControlThread.cpp
[Link 1]: https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8071770
[BUG-JDK-8170388]: https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=JDK-8170388
[image]: /images/20221024/5980fd27e5284292a8d3ca933c4c0a17.png