Pillole Java: Gestione della memoria

Architettura Hotspot JVM

La Java Virtual Machine è un software che fornisce un ambiente operativo virtuale per applicazioni Java.

L’architettua Java Hotspot è composta di tre elementi

• il motore di esecuzione:
  • è composto di un compilatore a tempo immediato (just in time o JIT compiler) che traduce il codice in chiaro in bytecode (compilazione) al momento in cui deve essere utilizzato
  • e di un garbage collector (che è l’aspetto su cui ci focalizziamo in questo articolo), un collettore di spazzatura che fa la raccolta differenziata degli oggetti usati e li rimuove con una specifica politica
• l’area dati di esecuzione (runtime data area) che è una memoria organizzata in cui vengono caricati i metodi, i threads, lo heap (che è la zona che ci interessa) e altre zone. In particolare lo heap (mucchio) è la zona riservata ai dati transienti trattati dall’applicazione Java
• il class loader che è un regista che istanza in memoria RAM gli oggetti e i metodi quando richiesti

Lo heap

Lo heap è una zona di memoria RAM nella quale Hotspot gestisce i dati dell’applicazione. In questa zona viene implementata una vera e propria raccolta differenziata degli oggetti in base all’età di occupazione. L’età di occupazione è calcolata con un contatore per ogni oggetto: ogni volta che viene istanziato, incremento il suo contatore. Ogni volta che lo distruggo (imposto la variabile) a null, lo decremento di 1. Quando il contatore raggiunge 0 è tempo di buttare via l’oggetto. Quindi programmaticamente è buona norma impostare a null una variabile se non la si vuole più usare, perché così riesco a raggiungere la condizione che scatena l’evento minor garbage collection che consiste nello spostamento o l’eliminazione fisica dell’area di memoria che contiene la variabile.

I dati vengono diversificati in tre zone “temporali”:

• Young Generation
• Old Generation
• Permanent Generation

La zona Young Generation è quella in cui vengono allocati tutti gli oggetti istanziati da poco tempo; è a sua volta suddivisa in Eden (oggetti appena creati) e Survivor. Il raccoglitore differenziato (minor garbage collector) sposta gli oggetti dall’Eden alla zone di Sopravvivenza e da qui alla Old Generation. Uno spostamento da Young a Old è considerato un evento di minor garbage collcection.

Gli oggetti un po’ più datati vivono nella Old generation; vengono spostati da qui dal racccoglitore differenziato maggiore ed eliminati, Questo evento è condierato una major garbage collection.

Nella zona Permament Generation vengono collezionati metodi e classi, che sono considerati metadati. Anche l’eliminazione da parte del GC degli oggetti di questa zona è considerata major.

Quindi gli oggetti vengono spostati gradualmente da una zona all’altra fino alla loro eliminazione completa.

Come si produce garbage?

Consideriamo questo programma

public void factory (int num) {
  Die d1 = new Die();
  Die d2 = new Die(num);
  int numfaces = d1.getFaces();
  Die d3 = d2;
} 

Questo metodo istanzia due oggetti d1 e d2, poi un terzo d3; e una variabile locale numfaces.

Ci sono due tipi di variabili: le variabili di istanza o campi e le variabili locali o parametri.

• Le variabili di istanza sono le aree di variabili dove memorizziamo le proprietà della classe
• Le variabili locali sono variabili temporanee definite all’interno del metodo. I parametri sono semplicemente variabili locali di Java con la differenza che esse non vengono inizializzate dal metodo ma dal programma chiamante.

Il tempo di vita delle variabili locali dal tempo di esecuzione del metodo che le contiene, da quando viene chiamato a quando ritorna al programma chiamante.

A questo proposito dobbiamo tenere a mente che le variabili locali o i parametri di tipo primitivo vengono memorizzati in un’area di memoria detto stack (pila); ogni metodo ha il suo stack. Mentre le variabili locali e i parametri di tipo oggetto vengono invece memorizzati nello heap. Tuttavia nello stack vengono mantenuti i riferimenti (i puntatori) a questi oggetti dello heap, come illustrato nella figura seguente

Il tempo di vita dell’oggetto è in sostanza il tempo di esecuzione del metodo. Ora d1, d2 e d3 sono variabili locali del metodo sopra.

Se aggiungiamo una ulteriore riga alla fine

   d1 = d3

cosa succede?

Ciò che succede è che ogni riferimento all’oggetto Die 1 viene perso e l’oggetto può essere rimosso dalla RAM dal garbage collector.

L’algoritmo di gestione dello hep consente, soprattutto per programmi di grandi dimensioni, di rendere efficiente la raccolta differenziata.

Un algoritmo più ingenuo potrebbe passare in rassegna tutti gli oggetti istanziati e controllare se il programma in qualche punto li chiama (cioè: se esiste un riferimento). Gli oggetti lasciati fuori da questa scansione possono essere buttati via. Però questo algoritmo diventa rapidamente inefficiente all’aumentare del numero di oggetti istanziati; ovvero, in ultima analisi, dalla complessità del programma.

L’analisi che ha portato a questo tipo di gestione, si rifaceva allo studio della quantità di memoria allocata per oggetti che venivano eliminati quasi subito: ad esempio iterators che duravano per un solo ciclo. Questa statistica ha messo in luce la preponderanza di molti oggetti che durano poco, una specie di mortalità infantile, per cui ci si è concentrati su algoritmi che liberavano prima questa parte di memoria.

Tipi di GC

I garbage collectors di Hotspot sono 4:

• serial
• parallel
• CMS
• G1

Questi si comportano sostanzialmente in modo diverso, ma dobbiamo pensare che ci sono processi per così dire “attivi” che portano avanti l’esecuzione del programma principale e processi per così dire “passivi” che invece si occupano di fare pulizia. A volte i secondi devono interrompere i primi e questa modalità è detta “Stop-the-world mode GC”.

Serial è un unico thread che si occupa di eliminare molti garbage uno alla volta.

Parallel si occupa di eventi minori (come lo spostamento da un contentore all’altro) e ogni garbage è spostato da un thread separato, quindi si gestiscono più segmenti alla volta.

CMS (Concurrent Mark-sweep) vengono marcati e cancellati più segmenti tramite thread paralleli per minimizzare l’arresto del programma principale (per minimizzare gli Stop-the-world).

G1 (Garbage First) è un’alternativa concorrente di CMS.

Compattazione

Il modo di gestire la cancellazione degli oggetti non più usati è allo stesso modo critica: si possono adottare diverse tecniche, la più ingenua è cancellare loggetto sic et simpliciter (tecnica Mark-Sweep), ma questo reimpirebbe la memoria di “buchi” e sarebbe diffficile riutilizzae lo spazio reso disponibile.

Quindi ci sono dei metodi più evoluti, come il Copy o il Mark-Compact che riallocano i dati da cancellare in modo da renderli contigui e creare delle zone libere più grandi possibili e continue (senza buchi).

Risorse nel blog

Fondamentali di JVM: la differenza tra JDK e JRE

Bibliografia

• Oracle (Garbage Collection Basics)
• Oracle (Tuning Garbage Collections)
• Stackify
• Medium
• Colby Computer Science