Garbage Collection in Java: Fortschritte seit JDK 8

Seit JDK 8 hat sich die Garbage Collection (GC) von Java erheblich weiterentwickelt und sich mit häufigen Herausforderungen wie Latenz, Pausenzeiten und Speicheraufwand befasst. Dieser Artikel untersucht diese Fortschritte und konzentriert sich auf die praktischen Auswirkungen für Entwickler, die von älteren Versionen wie JDK 8 auf moderne Alternativen wie JDK 17 und JDK 21 umsteigen. Unabhängig davon, ob Sie Legacy-Anwendungen beibehalten oder zukünftige Migrationen planen, ist das Verständnis dieser Updates von entscheidender Bedeutung.

Wichtige Punkte

1. Verbesserungen seit JDK 8: Neuere Versionen des JDK bieten erhebliche Verbesserungen bei der Speicherverwaltung und Anwendungsleistung.
2. GC-Optionen verstehen: Die Auswahl des richtigen Garbage Collectors für Ihre Anwendung kann das Verhalten und die Ressourcennutzung optimieren.
3. Inkrementelle Updates: Fortschritte wie generationsübergreifende GC-Modi und regionsbasierte Heap-Layouts haben die Speicherbereinigung verändert und sorgen für eine bessere Skalierbarkeit und Effizienz.

Garbage Collection (GC) in Java automatisiert die Speicherverwaltung und befreit Entwickler von der Handhabung von Details auf niedriger Ebene. Die beiden Hauptziele von GC sind:

1. Schnelle Zuweisungen: Java verwendet Thread-Local Allocation Buffers (TLABs) für schnelle, synchronisierungsfreie Speicherzuweisungen.
2. Effiziente Rückgewinnung: GC-Algorithmen gewinnen ungenutzten Speicher durch Techniken wie Komprimierung und freie Listen zurück.

Modernes Java GC unterteilt den Heap in zwei Generationen:

• Junge Generation: Speichert kurzlebige Objekte, deren Sammlung häufig, aber schnell erfolgt.
• Alte Generation: Speichert langlebige Objekte, die mehrere GC-Zyklen überstehen.

Diese Unterteilung basiert auf der Generationshypothese, die besagt, dass die meisten Objekte jung sterben, wodurch Sammlungen junger Generationen effizienter sind als vollständige Heap-Sammlungen. Java bietet mehrere GC-Algorithmen, die jeweils auf bestimmte Anwendungsfälle zugeschnitten sind:

Garbage Collector Fokus Anwendungsfall Pausenzeit Durchsatz

Garbage Collector	Focus	Use Case	Pause Time	Throughput
Serial GC	Low memory overhead	Small containers	Medium	Low
Parallel GC	High throughput	Batch processing or large datasets	High	High
G1 GC	Balanced performance	General-purpose, low-latency workloads	Medium-Low	Medium-High
ZGC	Ultra-low latency	Large-scale applications, low latency	Sub-millisecond	Medium
Shenandoah GC	Low latency	Large heaps, near-real-time processing	Very low	Medium

Serielle GC Geringer Speicheraufwand Kleine Behälter Mittel Niedrig Parallele GC Hoher Durchsatz Stapelverarbeitung oder große Datensätze Hoch Hoch G1 GC Ausgewogene Leistung Allzweck-Workloads mit geringer Latenz Mittel-Niedrig Mittel-Hoch ZGC Extrem niedrige Latenz Groß angelegte Anwendungen, geringe Latenz Unter einer Millisekunde Mittel Shenandoah GC Geringe Latenz Große Heaps, Verarbeitung nahezu in Echtzeit Sehr niedrig Mittel

G1 GC wurde in JDK 9 als Standardkollektor eingeführt und verwendet ein regionsbasiertes Heap-Layout und unterstützt gleichzeitige Markierung. Dadurch kann die Aktivität bestimmt werden, ohne Anwendungsthreads anzuhalten. Durch die Kombination von Sammlungen der jungen und alten Generation zu kleineren gemischten Sammlungen reduziert G1 die Pausenzeiten und verbessert die allgemeine Reaktionsfähigkeit.

ZGC wurde für extrem niedrige Latenzzeiten entwickelt und kann Heaps im Terabyte-Bereich mit Pausenzeiten im Sub-Millisekundenbereich verarbeiten. Es führt den Großteil seiner Arbeit gleichzeitig mit Anwendungsthreads aus und eignet sich daher ideal für Anwendungen, die eine konsistente Reaktionsfähigkeit erfordern, wie z. B. Cloud-Dienste oder Finanzsysteme.

Der ZGC-Generationsmodus (eingeführt in JDK 21) verbessert den Durchsatz weiter, indem er die Generationshypothese anwendet, um kurzlebige und langlebige Objekte zu trennen.

Benchmarks wie SPECjbb 2015 zeigen erhebliche Verbesserungen sowohl beim Durchsatz als auch bei der Latenz bei modernen GC-Algorithmen seit JDK 8:

• Parallel GC: 30 % Verbesserung des Durchsatzes von JDK 8 auf JDK 17.
• G1 GC: Über 40 % Verbesserung des Durchsatzes von JDK 8 auf JDK 17.
• ZGC: 10 % Verbesserung mit dem Generationsmodus in JDK 21.

Reduzierte Pausenzeiten

Die Pausenzeiten wurden bei allen Sammlern drastisch reduziert:

• Parallele GC: Von ~100 ms bis ~65 ms.
• G1 GC: 40 % Ermäßigung von JDK 8 auf JDK 17.
• ZGC: Pausen unter einer Millisekunde.

G1 GC hat dank Optimierungen bei gespeicherten Sätzen und Datenstrukturen, die für regionsbasierte Sammlungen verwendet werden, eine erhebliche Reduzierung des nativen Speicheraufwands festgestellt. Von JDK 8 bis JDK 17 wurde die native Speichernutzung von G1 fast halbiert. Um die praktischen Aspekte von GC besser zu veranschaulichen, betrachten Sie die folgenden Beispiele:

Beispiel 1: G1 GC konfigurieren

# Add these options to your JVM startup command
java -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=50 -Xmx2g -Xms2g -jar app.jar

Diese Konfiguration:

• Aktiviert den G1 GC.
• Legt eine maximale Pausenzeit von 50 ms fest.
• Reserviert 2 GB Heap-Speicher.

Optimierung von ZGC für Anwendungen mit geringer Latenz

java -XX:+UseZGC -Xms4g -Xmx4g -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=50 -jar app.jar

Dieses Setup:

• Verwendet ZGC für extrem niedrige Latenz.
• Reserviert 4 GB Heap-Speicher.
• Passt die Lebensdauer von Softreferenzen für eine bessere Speicherverwaltung an.

Herausforderungen bei der Migration über JDK 8 hinaus

Während ein Upgrade von JDK 8 auf eine neuere Version (z. B. JDK 17 oder 21) erhebliche Vorteile bringen kann, müssen Entwickler Folgendes berücksichtigen:

• Kompatibilitätsprobleme: Bestimmte Bibliotheken oder Frameworks unterstützen möglicherweise neuere JDK-Versionen nicht vollständig.
• Leistungsoptimierung: Jeder GC verfügt über spezifische Optimierungsparameter, die für eine optimale Leistung möglicherweise angepasst werden müssen.
• Staging-Umgebungstests: Testen Sie immer gründlich in Nicht-Produktionsumgebungen, bevor Sie Änderungen einführen.

Der Fortschritt in der Garbage Collection von Java seit JDK 8 war bemerkenswert. Aufgrund erheblicher Verbesserungen bei Durchsatz, Latenz und Speicheraufwand ist für jede Java-Anwendung ein Upgrade auf neuere JDK-Versionen erforderlich.

Ob Sie kleine Container oder große Cloud-Dienste betreiben, es gibt einen GC-Algorithmus, der für Ihren Anwendungsfall optimiert ist. Wenn Sie also noch mit JDK 8 arbeiten, ist es an der Zeit, einen Schritt zu wagen und die Leistungsvorteile des modernen Java zu genießen.

Weitere Informationen finden Sie in diesem Video von Devoxx Belgium über Garbage Collection in Java: The Progress Since JDK 8 von Stefan Johansson

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