Skip to main content

Garbage Collection trong Java

Trong Java, bộ thu gom rác (Garbage Collection - GC) là một cơ chế tự động giải phóng bộ nhớ không còn được sử dụng nữa, giúp lập trình viên không cần quản lý thủ công việc cấp phát và giải phóng bộ nhớ. Tuy nhiên, việc hiểu rõ các thuật toán GC và cách điều chỉnh (tuning) chúng là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu năng của ứng dụng. Bài viết dưới đây sẽ trình bày chi tiết về:

  1. GC Algorithms với trọng tâm vào hai thuật toán chính: Mark-Sweep và Generational GC.
  2. GC Tuning bao gồm việc sử dụng các tham số của JVM (JVM parameters) và cấu hình logging để giám sát, phân tích hoạt động của bộ thu gom rác.

1. GC Algorithms​

Bộ thu gom rác (Garbage Collector) có nhiệm vụ theo dõi và giải phóng bộ nhớ của các đối tượng không còn được tham chiếu. Trong quá trình phát triển Java, nhiều thuật toán GC đã được triển khai nhằm đáp ứng nhu cầu xử lý bộ nhớ hiệu quả. Hai thuật toán tiêu biểu được sử dụng rộng rãi là Mark-Sweep và Generational GC.

1.1. Mark-Sweep GC​

Mark-Sweep là một thuật toán thu gom rác cổ điển với hai giai đoạn chính:

  1. Giai đoạn Mark (Đánh dấu):

    • Thu thập tất cả các đối tượng "sống" (các đối tượng mà ứng dụng đang tham chiếu) bằng cách bắt đầu từ các đối tượng gốc (roots), chẳng hạn như các biến cục bộ, static fields, v.v.
    • Thuật toán sẽ duyệt qua đồ thị đối tượng và đánh dấu (mark) tất cả các đối tượng có thể truy cập được từ các root.

  2. Giai đoạn Sweep (Quét dọn):

    • Sau khi hoàn thành giai đoạn đánh dấu, bộ thu gom rác sẽ quét toàn bộ vùng heap và thu gom (free) các vùng bộ nhớ chứa các đối tượng không được đánh dấu (tức là các đối tượng "chết").

Ưu điểm:

  • Đơn giản và dễ triển khai.
  • Có thể hoạt động tốt đối với các ứng dụng với bộ nhớ nhỏ hoặc khi số lượng đối tượng "chết" không quá lớn.

Nhược điểm:

  • Giai đoạn quét dọn toàn bộ heap có thể gây tạm dừng (pause) đáng kể, đặc biệt với heap lớn.
  • Sau khi thu gom, các vùng bộ nhớ bị giải phóng có thể bị phân mảnh, dẫn đến hiệu năng cấp phát bộ nhớ mới không tối ưu.

1.2. Generational Garbage Collection​

Generational GC được thiết kế dựa trên quan sát rằng phần lớn các đối tượng trong ứng dụng có tuổi thọ ngắn (tức là chúng nhanh chóng trở nên "chết"). Do đó, heap được chia thành các thế hệ (generations) chính:

  1. Young Generation:

    • Gồm các vùng như Eden và Survivor Spaces.
    • Các đối tượng mới được tạo ra thường được cấp phát ở đây.
    • Thu gom rác ở young generation được thực hiện thường xuyên thông qua một thuật toán gọi là Minor GC.
    • Do kích thước nhỏ, Minor GC thường rất nhanh, giúp loại bỏ các đối tượng không còn sử dụng sớm.

  2. Old Generation (Tenured Generation):

    • Sau khi các đối tượng trong young generation sống qua một số lần Minor GC, chúng sẽ được chuyển sang old generation.
    • Old generation chứa các đối tượng có tuổi thọ dài và GC ở đây (gọi là Major GC hoặc Full GC) ít xảy ra hơn, nhưng thường gây tạm dừng lâu hơn do kích thước lớn.

Ưu điểm của Generational GC:

  • Tối ưu hóa hiệu năng vì hầu hết các đối tượng được thu gom nhanh ở young generation.
  • Giảm thiểu thời gian tạm dừng do chỉ thực hiện full GC khi cần thiết.
  • Giúp hạn chế hiện tượng phân mảnh bộ nhớ.

Minh họa cấu trúc Generational GC:

2. GC Tuning - JVM Parameters & Logging​

Việc điều chỉnh GC (GC Tuning) giúp tối ưu hóa hiệu năng ứng dụng bằng cách giảm thời gian tạm dừng và sử dụng tài nguyên bộ nhớ hiệu quả. Điều này được thực hiện thông qua việc cấu hình các tham số JVM và giám sát hoạt động GC qua logging.

2.1. Các Tham Số JVM Liên Quan Đến GC​

Các tham số JVM cho phép bạn điều chỉnh cách bộ thu gom rác hoạt động. Một số tham số phổ biến gồm:

  • -Xms và -Xmx:

    • -Xms: Kích thước heap ban đầu.
    • -Xmx: Kích thước heap tối đa.
      Ví dụ: -Xms512m -Xmx1024m chỉ định heap bắt đầu với 512MB và tối đa 1024MB.

  • -XX:NewSize và -XX:MaxNewSize:

    • Điều chỉnh kích thước của young generation.
    • Có thể giúp tối ưu hóa Minor GC khi phần lớn đối tượng là "chết" nhanh.

  • -XX:SurvivorRatio:

    • Xác định tỷ lệ giữa Eden và Survivor Spaces trong young generation.
    • Ví dụ: -XX:SurvivorRatio=8 có nghĩa là Eden chiếm 8 phần, Survivor chiếm 1 phần mỗi không gian.

  • -XX:+UseParallelGC:

    • Kích hoạt garbage collector song song, cho phép thu gom rác trên nhiều luồng, giảm thời gian tạm dừng.

  • -XX:+UseConcMarkSweepGC (CMS):

    • Kích hoạt CMS, một thuật toán thu gom rác với thời gian tạm dừng ngắn cho old generation.

  • -XX:+UseG1GC:

    • Kích hoạt Garbage First (G1), một GC hiện đại giúp tối ưu hóa tạm dừng bằng cách chia heap thành nhiều vùng nhỏ, ưu tiên thu gom vùng có nhiều rác.

2.2. GC Logging​

Để theo dõi và phân tích hoạt động của GC, bạn có thể bật GC logging thông qua các tham số JVM. Những log này cung cấp thông tin chi tiết về thời gian tạm dừng, số lần thu gom rác, kích thước heap, v.v.

Một số tham số GC logging tiêu biểu:

  • -verbose:gc:
    • Bật logging cơ bản cho GC.
  • -XX:+PrintGCDetails:
    • In ra chi tiết các hoạt động của GC.
  • -XX:+PrintGCDateStamps:
    • Thêm dấu thời gian vào log GC.
  • -XX:+PrintGCTimeStamps:
    • Hiển thị thời gian tạm dừng của GC.
  • -Xloggc:<file_path>:
    • Ghi log GC vào file cụ thể, ví dụ: -Xloggc:gc.log.

Ví dụ cấu hình GC logging:

java -Xms512m -Xmx1024m \
     -XX:+UseG1GC \
     -verbose:gc \
     -XX:+PrintGCDetails \
     -XX:+PrintGCDateStamps \
     -Xloggc:gc.log \
     -jar MyApplication.jar

Trong ví dụ trên, ứng dụng sẽ chạy với heap từ 512MB đến 1024MB, sử dụng G1 GC và ghi log chi tiết của GC vào file gc.log. Các log này giúp bạn phân tích:

  • Thời gian thu gom rác của Minor và Major GC.
  • Tần suất GC xảy ra.
  • Tác động của GC lên hiệu năng ứng dụng.

2.3. Phân Tích và Điều Chỉnh GC​

Sau khi thu thập log, bạn có thể sử dụng các công cụ như GCViewer, GCEasy hay JClarity Censum để phân tích và xác định:

  • Thời gian tạm dừng của GC.
  • Phần trăm thời gian ứng dụng bị tạm dừng.
  • Kích thước heap thực tế sử dụng.
  • Tỷ lệ giữa young generation và old generation.

Từ đó, bạn có thể điều chỉnh các tham số JVM để đạt được sự cân bằng giữa hiệu năng và độ trễ, chẳng hạn:

  • Nếu ứng dụng gặp tạm dừng quá lâu, có thể cần giảm kích thước heap hoặc chuyển sang sử dụng GC song song/G1.
  • Nếu young generation quá nhỏ, Minor GC sẽ xảy ra quá thường xuyên, bạn có thể tăng kích thước young generation bằng cách điều chỉnh -XX:NewSize và -XX:MaxNewSize.

3. Tổng Kết​

3.1. GC Algorithms​

  • Mark-Sweep:

    • Giai đoạn Mark: Đánh dấu tất cả các đối tượng sống từ các root.
    • Giai đoạn Sweep: Quét dọn và giải phóng bộ nhớ của các đối tượng không được đánh dấu.
    • Ưu điểm: Đơn giản; Nhược điểm: Có thể gây tạm dừng dài và phân mảnh bộ nhớ.

  • Generational GC:

    • Phân chia heap thành Young Generation và Old Generation.
    • Minor GC xử lý nhanh các đối tượng mới (young generation), còn Major GC xử lý các đối tượng lâu đời (old generation).
    • Ưu điểm: Tối ưu thời gian tạm dừng và hiệu năng; Nhược điểm: Cần cấu hình phù hợp để tránh tình trạng full GC kéo dài.

3.2. GC Tuning​

  • JVM Parameters:
    • Các tham số như -Xms, -Xmx, -XX:NewSize, -XX:SurvivorRatio, -XX:+UseParallelGC, -XX:+UseG1GC giúp cấu hình bộ nhớ heap và chọn thuật toán GC phù hợp.
  • GC Logging:
    • Tham số -verbose:gc, -XX:+PrintGCDetails, -XX:+PrintGCDateStamps, -Xloggc:<file> cho phép theo dõi chi tiết hoạt động của GC.
    • Việc phân tích log giúp xác định các điểm nghẽn, từ đó tối ưu hóa hiệu năng thông qua việc điều chỉnh các tham số.

Nhờ vào việc hiểu rõ các thuật toán GC và áp dụng các kỹ thuật tuning phù hợp, bạn có thể giảm thiểu thời gian tạm dừng của GC, tối ưu hóa sử dụng bộ nhớ và đảm bảo hiệu năng cao cho ứng dụng Java. Sự kết hợp giữa các kiến thức về thuật toán GC và khả năng giám sát thông qua GC logging cho phép lập trình viên và quản trị viên hệ thống điều chỉnh môi trường chạy ứng dụng một cách hiệu quả, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe trong các hệ thống hiện đại.