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減少 GC 開銷的 5 個編碼技巧

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來源:ImportNew – 踏雁尋花

在這篇文章中,我們來瞭解一下讓代碼變得高效的五種技巧,這些技巧可以使我們的垃圾收集器(GC)在分配記憶體以及釋放記憶體上面,占用更少的CPU時間,減少GC的開銷。當記憶體被回收的時候,GC處理很長時間經常會導致我們的代碼中斷(又叫做”stop the world”)。

背景

GC用來處理大量的短期的物件的分配(試想打開一個web頁面,一旦頁面被加載之後,被分配記憶體的大部分物件都會被廢棄)。

GC使用一個被稱作”新生代”堆空間來完成這件事情。”新生代”是用來存放新建物件的堆記憶體。每一個物件都有一個”age”(儲存在物件的頭信息中),用來定義存放很多沒有被回收的垃圾集合。一旦一個確定的”age”到達,物件就會被覆制到堆中的另一塊空間,這個空間被稱作”幸存者空間”或者”老年代空間”。(譯者註:實際上幸存者空間位於新生代空間中,原文有誤,不過這裡暫時按照原文來翻譯,更詳細的內容請點擊成為JavaGC專家Part I — 深入淺出Java垃圾回收機制

http://www.importnew.com/1993.html

雖然這樣很有效,但是還是有很大代價的。減少臨時分配的數量確實可以幫助我們增加吞吐量,尤其是在大規模資料的環境下,或者資源有限制的app中。

下麵的五種代碼方式可以更加有效的利用記憶體,並且不需要花費很多的時間,也不會降低代碼可讀性。

1、避免隱式的String字串

String字串是我們管理的每一個資料結構中不可分割的一部分。它們在被分配好了之後不可以被修改。比如”+”操作就會分配一個鏈接兩個字串的新的字串。更糟糕的是,這裡分配了一個隱式的StringBuilder物件來鏈接兩個String字串。

例如:

a = a + b; // a and b are Strings

編譯器在背後就會生成這樣的一段兒代碼:

StringBuilder temp = new StringBuilder(a).

temp.append(b);

a = temp.toString(); // 一個新的 String 物件被分配

// 第一個物件 “a” 現在可以說是垃圾了

它變得更糟糕了。

讓我們來看這個例子:

String result = foo() + arg;

result += boo();

System.out.println(“result = “ + result);

在這個例子中,背後有三個StringBuilders 物件被分配 – 每一個都是”+”的操作所產生,和兩個額外的String物件,一個持有第二次分配的result,另一個是傳入到print方法的String引數,在看似非常簡單的一段陳述句中有5個額外的物件。

試想一下在實際的代碼場景中會發生什麼,例如,通過xml或者檔案中的文本信息生成一個web頁面的過程。在嵌套迴圈結構,你將會發現有成百上千的物件被隱式的分配了。儘管VM有處理這些垃圾的機制,但還是有很大代價的 – 代價也許由你的用戶來承擔。

解決方案:

減少垃圾物件的一種方式就是善於使用StringBuilder 來建物件,下麵的例子實現了與上面相同的功能,然而僅僅生成了一個StringBuilder 物件,和一個儲存最終result 的String物件。

StringBuilder value = new StringBuilder(“result = “);

value.append(foo()).append(arg).append(boo());

System.out.println(value);

通過留心String和StringBuilder被隱式分配的可能,可以減少分配的短期的物件的數量,尤其在有大量代碼的位置。

2、計劃好List的容量

像ArrayList這樣的動態集合用來儲存一些長度可變化資料的基本結構。ArrayList和一些其他的集合(如HashMap、TreeMap),底層都是通過使用Object[]陣列來實現的。而String(它們自己包裝在char[]陣列中),char陣列的大小是不變的。那麼問題就出現了,如果它們的大小是不變的,我們怎麼能放item記錄到集合中去呢?答案顯而易見:分配更多的陣列。

看下麵的例子:

List items = new ArrayList();

  

for (int i = 0; i < len; i++)

{

Item item = readNextItem();

items.add(item);

}

len的值決定了迴圈結束時items 最終的大小。然而,最初,ArrayList的建構式並不知道這個值的大小,建構式會分配一個預設的Object陣列的大小。一旦內部陣列上限溢位,它就會被一個新的、並且足夠大的陣列代替,這就使之前分配的陣列成為了垃圾。

如果執行數千次的迴圈,那麼就會進行更多次數的新陣列分配操作,以及更多次數的舊陣列回收操作。對於在大規模環境下運行的代碼,這些分配和釋放的操作應該盡可能從CPU周期中剔除。

解決方案:

無論什麼時候,盡可能的給List或者Map分配一個初始容量,就像這樣:

List items = new ArrayList(len);

因為List初始化,有足夠的容量,所有這樣可以減少內部陣列在運行時不必要的分配和釋放。如果你不知道確定的大小,最好估算一下這個值的平均值,添加一些緩衝,防止意外上限溢位。

3、使用高效的含有原始型別的集合

當前版本的Java編譯器對於含有基本資料型別的鍵的陣列以及Map的支持,是通過“裝箱”來實現的 – 自動裝箱就是將原始資料裝入一個對應的物件中,這個物件可被GC分配和回收。

這個會有一些負面的影響。Java可以通過使用內部陣列實現大多數的集合。對於每一條被添加到HashMap中的key/value記錄,都會分配一個儲存key和value的內部物件。當處理map的時候非常可怕,這意味著,每當你放一條記錄到map中的時候,就會有一次額外的分配和釋放操作發生。這很可能導致數量過大,而不得不重新分配新的內部陣列。當處理有成百上千條甚至更多記錄的Map時,這些內部分配的操作將會使GC的成本增加。

一種常見的情況就是儲存一個原始型別(如id)和一個物件之間的映射。由於Java的HashMap設計只能包含物件型別(而非原始型別),這意味著,每個map的插入操作都可能分配一個額外的物件來儲存原始型別(即裝箱)。

Integer.valueOf 方法快取在-128 – 127之間的數值,但是對於範圍之外的每一個數值,除了內部的key/value記錄物件之外,一個新的物件也將會分配。這很可能超過了GC對於map三倍的開銷。對於一個C++開發者來說,這真是讓人不安的訊息,在C++中,STL 模板可以非常高效地解決這樣的問題。

很幸運,這個問題將會在Java的下一個版本得到解決。到那時,這將會被一些提供基本的樹形結構(Tree)、映射(Map),以及List等Java的基本型別的庫迅速處理。我強力推薦Trove,我已經使用很長時間了,並且它在處理大規模的代碼時真的可以減小GC的開銷。

4、使用資料流(Streams)代替記憶體緩衝區(in-memory buffers)

在服務器應用程式中,我們操作的大多數的資料都是以檔案或者是來自另一個web服務器或DB的網絡資料流的形式呈現給我們。大多數情況下,傳入的資料都是序列化的形式,在我們使用它們之前需要被反序列化成Java物件。這個過程非常容易產生大量的隱式分配。

最簡單的做法就是通過ByteArrayInputStream,ByteBuffer 把資料讀入記憶體中,然後再進行反序列化。

這是一個糟糕的舉動,因為完整的資料在構造新的物件的時候,你需要為其分配空間,然後立刻又釋放空間。並且,由於資料的大小你又不知道,你只能猜測 – 當超過初始化容量的時候,不得不分配和釋放byte[]陣列來儲存資料。

解決方案非常簡單。像Java自帶的序列化工具以及Google的Protocol Buffers等,它們可以將來自於檔案或網絡流的資料進行反序列化,而不需要儲存到記憶體中,也不需要分配新的byte陣列來容納增長的資料。如果可以的話,你可以將這種方法和加載資料到記憶體的方法比較一下,相信GC會很感謝你的。

5、List集合

不變性是很美好的,但是在大規模情境下,它就會有嚴重的缺陷。當傳入一個List物件到方法中的情景。

當方法傳回一個集合,通常會很明智的在方法中創建一個集合物件(如ArrayList),填充它,並以不變的集合的形式傳回。

有些情況下,這並不會得到很好的效果。最明顯的就是,當來自多個方法的集合呼叫一個final集合。因為不變性,在大規模資料情況下,會分配大量的臨時集合。

這種情況的解決方案將不會傳回新的集合,而是通過使用單獨的集合當做引數傳入到那些方法代替組合的集合。

例子1(低效率):

List items = new ArrayList();

for (FileData fileData : fileDatas)

{

// 每一次呼叫都會創建一個儲存內部臨時陣列的臨時的串列

items.addAll(readFileItem(fileData));

}

例子2:

List items =

new ArrayList(fileDatas.size() * avgFileDataSize * 1.5);

  

for (FileData fileData : fileDatas)

{

readFileItem(fileData, items); // 在內部添加記錄

}

在例子2中,當違反不變性規則的時候(這通常應該被遵守),可以節省N個list的分配(以及任何臨時陣列的分配)。這將是對你GC的一個大大的優惠。

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