Кратко и по делу.
Основная идея всех сборщиков — обнаружить недостижимые объекты и освободить их память, но алгоритмы различаются по порядку обхода, синхронности и накладным расходам.
1) Mark‑and‑sweep
- Принцип: двухфазный проход — пометить достижимые объекты (mark), затем пройти по хипу и собрать непомеченные (sweep). Часто требуется дополнительная фаза компактации, чтобы избежать фрагментации.
- Плюсы: простота, собирает циклы (в отличие от простого счётчика ссылок).
- Минусы: классические реализации стоп‑the‑world дают паузы; sweep может требовать сканирования всей памяти.
- Влияние на серверы:
- Паузы: для классического stop‑the‑world pause_time ≈ O(|достижимые|) + O(|куча|) — часто масштабируетcя с размером хипа, что даёт большие задержки при росте памяти.
- Пропускная способность: высокая, если паузы редки; но полные GC снижают пропускную способность из‑за прерываний работы приложения.
2) Generational GC (поколенческая)
- Принцип: разделение объектов по поколениям (молодое/старое). Чисто основывается на наблюдении «многие объекты короткоживущие» — чаще собирают молодое поколение (fast nursery collections), реже — старое.
- Плюсы: значительно уменьшает объём работы, т.к. большинство сборов трогают только молодое поколение; уменьшает частоту дорогостоящих полных GC.
- Минусы: продвижение («promotion») больших потоков объектов в старое поколение может вызвать полные GCs; требует поддержания карт карт (card tables), write barriers — накладные расходы на записи.
- Влияние:
- Паузы: молодые сборы короткие (низкая латентность для частых мелких сборов), но редкие полные сборы могут давать большие пики задержки.
- Пропускная способность: обычно улучшает суммарную пропускную способность, т.к. меньше работы по общему объёму объектов; накладные расходы на write barriers немного снижают локальную производительность.
3) Reference counting (подсчёт ссылок)
- Принцип: у каждого объекта счётчик ссылок; при создании/удалении ссылок счётчик инк/дек; при достижении нуля — немедленное освобождение.
- Плюсы: детерминированное освобождение (минимальные паузы), простая концепция, подходит для real‑time подходов.
- Минусы: стоимость обновления счётчика при каждой операции присвоения (особенно в многопоточной среде нужны атомарные операции); не собирает циклические структуры без дополнительной обработки.
- Влияние:
- Паузы: минимальные или отсутствуют при обычных операциях; всплески — при рекурсивном освобождении большого графа (можно сделать инкрементально).
- Пропускная способность: накладные расходы на частые инк/дек (межпоточные атомики) могут серьёзно снизить throughput при высоком rate аллокаций/переносов.
4) Современные усиления и компромиссы
- Concurrent/parallel/ incremental GC (e.g., CMS, G1, ZGC, Shenandoah): уменьшают паузы, выполняя маркировку/перемещение параллельно с мутирующими потоками, но вводят накладные расходы (write barriers, дополнительные CPU cycles) и иногда повышают общую пропускную нагрузку.
- Компактация vs фрагментация: компактация уменьшает фрагментацию и ускоряет аллокации, но может требовать перемещения объектов (дорогие pause/синхронизации) или сложных concurrent movers.
- Write barriers и card tables: уменьшают объём работы при поколенческой сборке, но добавляют пер‑запись при каждой модификации указателя → повышают накладные расходы CPU/кэш.
5) Практические следствия для серверных приложений
- Латентность vs пропускная способность — фундаментальная trade‑off:
- Низкая латентность (жёсткие SLA по задержкам) → выбирать concurrent/low‑pause GC (ZGC, Shenandoah) или reference counting с доп. механизмами; платить CPU‑накладными расходами и большим потреблением памяти.
- Максимальная пропускная способность → выбирать throughput‑ориентированные параллельные GC (Parallel GC) и большой размер хипа; ожидать более длинных, но редких пауз.
- Тонкие настройки:
- Увеличение хипа снижает частоту GC, но увеличивает время полных сборов (паузу) для stop‑the‑world алг.; для concurrent GC паузы растут медленнее.
- Настройка размера молодой/старой области влияет на частоту промоций и частоту полных GC.
- Снижение темпа аллокаций (object pooling, escape analysis, примитивы/структуры, off‑heap) уменьшает нагрузку на GC.
- Мониторинг и тестирование: профилирование allocation rate, survival rate и пауз в продакшен‑нагрузках — обязательны. Лог GC + p99/p999 latency измерения дадут понимание влияния.
Короткое резюме: mark‑and‑sweep прост и надёжен, но даёт большие паузы без дополнений; generational GC обычно лучший выбор для серверов с много короткоживущих объектов — уменьшает работу и улучшает throughput, но может давать редкие большие паузы; reference counting даёт детерминированное освобождение и низкие паузы, но дорог в многопоточности и не решает циклы. Выбор и тюнинг GC зависят от требований latency SLAs и от необходимости максимальной пропускной способности.