Gerenciamento de memória e Garbage Collector com HotSpot da Sun

O que me motivou a escrever este post foi a leitura do capítulo 3.2 do livro Arquitetura e Design de Software e do post Avaliação de Desempenho de Sistemas – Parte 1. Meu objetivo é explicar resumidamente o funcionamento do gerenciamento de memória e das características do Garbage Collector na Java HotSpot Virtual Machine, implementação da JVM da Sun.

Como é Dividida a Memória

Sabemos que o gerenciamento automático de memória é uma tarefa complicada e custosa para o desempenho da aplicação, portanto, existem alguns algorítmos que realizam essa tarefa. O algorítmo padrão usado pela JVM da Sun é chamado de generational copying que realiza esse gerenciamento dividindo a memória 3 partes copiando os objetos entre as partes comforme necessário.

• Young Generation: É menor espaço de memória do Heap e armazena os objetos de ciclo de vida curto. Todo objeto instânciado é primeiramente armazenado nesta parte. Normalmente o tamanho inicial é de 2.2 MB.
• Old Generation: É a parte maior destinada aos objetos considerados maduros ou aqueles que tem um ciclo de vida maior.
• PermGen: É o espaço de memória fora do Heap destinado a objetos internos da JVM como objetos Method, Class, Pool de Strings, etc.

A idéia do algorítmo é coletar os objetos inutilizados somente na Young Generation, sempre que esta memória estiver esgotada. Por ser o menor espaço de memória o desempenho é muito maior. O espeço destinado para a Young generation é pequeno e dividido em 3 partes, uma parte chamada de eden e outras duas partes chamadas de survivor, todo objeto instanciado é colocado no eden e a cada passagem do Garbage Collector por este espaço de memória os objetos sobreviventes são copiados para os survivor spaces. Este processo acontece algumas vezes até o objeto se tornar maduro o suficiente para ser copiado para a Old Generation que é conhecida como ternured pela Sun.

O espeço de memória Old Generation também é analisado pelo Garbage Collector, mas com menos intensidade. Esta varredura é chamada de Full GC e é considerada muito custosa para o desempenho da aplicação por isso, por padrão, não é frequente a varredura do Garbage Collector na Old Generation. Apesar do espaço de memória PermGen não pertencer ao Heap este espaço também é coletado durante o Full GC.

Portanto, assim o algorítmo do Garbage Collector coleta os objetos inutilizados e copia os objetos que ainda estão sendo referênciados para os espaços survivor até serem duradouros o suficiente para serem copiados para a Old Generation. Neste processo de limpeza e cópia acaba criando lacunas no espaço de memória que são eliminadas pela compactação dos objetos realizada pelo Garbage Collector. Essa compactação organiza os os objetos novamente em memória a cada Full GC.

Opções da JVM

O espaço de memória destinado a armazenar os objetos de uma aplicação se chama Heap e este espaço pode ser controlado pelas opções -Xms e -Xmx da JVM. A opção -Xms especifica o tamanho inicial do Heap e a opção -Xmx o tamanho máximo do Heap, inicialmente o Heap pode ter um tamanho de memória que pode ser expandido até o tamanho máximo caso seja necessário. Se as duas opções tiverem o mesmo valor indica que o Heap não pode ser remanejado. Segue um exemplo de configuração do Heap com tamanho inicial de 64MB e tamanho máximo de 128MB:


java -Xms64m -Xmx128m Main


Além das opções de configuração do Heap temos a opções de configurar o tamanho máximo do PermGen usando a opção -XX:MaxPermSize=. Esta opção é útil para contornar os erros de OutOfMemoryError acusando fim do PermGen space. Segue um exeplo de configuração do PermGen com tamanho máximo de 256MB:


java -XX:MaxPermSize=256m Main


Existem algumas opções avançadas como -XX:MinHeapFreeRatio, -XX:MaxHeapFreeRatio e -XX:NewRatio que são muito importantes para aumentarmos a performance de uma aplicação seguindo as características da aplicação e do Hardware que ela será instalada. Como a JVM reajusta a memória Heap conforme a necessidade temos um percentual de aumento e diminuição desta memória, o valor dete percentual pode ser especificado pelos parâmetros -XX:MinHeapFreeRatio e -XX:MaxHeapFreeRatio. Segue um exemplo de configuração com um mínimo de 40% do Heap liberado e um máximo de 70% do Heap liberado:


java -XX:MinHeapFreeRatio=40 -XX:MaxHeapFreeRatio=70 Main


A opção -XX:NewRatio especifica uma proporção entre os espeços de memória no Heap, entre a Young Generation e a Old Generation. Normalmente esta opção é setada com o valor 2 que diz que a proporção da Young Generation em relação a Old Generation é de 1:2. Segue um exemplo de configuração de uma Old Generation 3 vezes maior que a Young Generation:


java -XX:NewRatio=3 Main


São inúmeras as opções de configuração de como o gerenciamento de memória e o Garbage Collector podem se comportar, essas e mais opções podem ser analisadas neste link.

Conclusão

Neste post eu demonstrei como é o gerenciamento padrão e o algorítmo padrão do Garbage Collector do Java HotSpot Virtual Machine da Sun e demonstrei algumas opções de parâmetros que podem ser passados para a JVM visando melhorar o desempenho da aplicação. Não quis me aprofundar muito só gostaria de passar um pouco o quanto é essencial e fital para uma aplicação crítica uma boa análise e configuração de desempenho na JVM que ela será executada. Em outro post pretendo aplicar algumas configurações em um aplicativo mostrando na prática o quanto pode ser vantajoso conhecer a JVM. Espero que tenham gostado e deixem seus comentários! =D