Привет, Хабр!

Shenandoah GC — это сборщик мусора для OpenJDK, целью которого является минимизация времени пауз, возникающих в результате сборки мусора, путем выполнения процессов эвакуации памяти параллельно с работающими Java‑потоками. Фичей Shenandoah является то, что время пауз GC не зависит от размера кучи, что означает одинаково короткие времена пауз как для кучи размером в 200 МБ, так и для 200 ГБ. Это достигается за счет использования дополнительного указателя косвенности для каждого Java‑объекта, что позволяет потокам GC компактизировать кучу, пока Java‑потоки продолжают выполняться.

Разработка Shenandoah началась с экспериментального проекта, целью которого было предоставление альтернативы другим сборщикам мусора, которые приоритизируют пропускную способность или размер памяти над отзывчивостью. Уже к 12-й версии JDK Shenandoah был готов к использованию, хотя и оставался помеченным как экспериментальная функция. Это состояние сохранялось, чтобы соответствовать статусу других сборщиков мусора, таких как Epsilon GC и ZGC.

Основное событие в истории Shenandoah — включение его в состав продуктовых функций начиная с 15-й версии JDK. Т.е для его использования больше не требовалось разблокировать экспериментальные опции VM. Такое изменение было в основном косметическим и касалось классификации настроек Shenandoah. Тем не менее, это был значительный шаг вперед, подтверждающий зрелость этого сборщика мусора.

Фазы работы Shenandoah GC

Основные фазы работы Shenandoah GC включают:

Инициация маркировки: запускает конкурентную маркировку, подготавливает кучу и потоки приложения для конкурентной маркировки, а затем сканирует корневой набор. Это первая пауза в цикле, и основным потребителем времени является сканирование корневого набора.

Конкурентная маркировка: проходит по куче и отслеживает достижимые объекты. Фаза выполняется параллельно с приложением, и ее продолжительность зависит от кол-во живых объектов и структуры графа объектов в куче.

Финальная маркировка: завершает конкурентную маркировку, опорожняя все ожидающие очереди маркировки/обновления и повторно сканируя корневой набор. Также инициирует эвакуацию, определяя регионы для эвакуации.

Конкурентная очистка: восстанавливает регионы кучи, которые полностью свободны от живых объектов, обнаруженных после конкурентной маркировки.

Конкурентная эвакуация: копирует объекты из набора коллекций в другие регионы. Эта фаза также выполняется параллельно с приложением, и ее продолжительность зависит от размера выбранного набора коллекций для цикла.

Инициация обновления ссылок: инициирует фазу обновления ссылок, подготавливая GC для следующей фазы. Это третья пауза в цикле, самая короткая из всех.

Конкурентное обновление ссылок: проходит по куче и обновляет ссылки на объекты, которые были перемещены во время конкурентной эвакуации. Фаза выполняется параллельно с приложением.

Финальное обновление ссылок: завершает фазу обновления ссылок, повторно обновляя существующий корневой набор. Также перерабатывает регионы из набора коллекций.

Конкурентная очистка: восстанавливает регионы набора коллекций, которые теперь не имеют ссылок​.

Настройка Shenandoah GC в JVM

Основные параметры настройки Shenandoah GC в JVM:

-XX:+UseShenandoahGC: параметр включает использование Shenandoah GC. Пример использования: java -XX:+UseShenandoahGC MyApplication.

-XX:ShenandoahGCHeuristics: управляет эвристикой Shenandoah. Например, aggressive для уменьшения времени пауз за счет увеличения использования CPU и памяти. Пример использования: java -XX:+UseShenandoahGC -XX:ShenandoahGCHeuristics=aggressive MyApplication.

-XX:ShenandoahFreeThreshold: задает процент свободной памяти в куче после сборки мусора. Пример использования: java -XX:+UseShenandoahGC -XX:ShenandoahFreeThreshold=20 MyApplication.

-XX:ShenandoahAllocationThreshold: устанавливает порог для начала сборки мусора на основе процента занятой памяти в куче. Пример использования: java -XX:+UseShenandoahGC -XX:ShenandoahAllocationThreshold=60 MyApplication.

-XX:ShenandoahGarbageThreshold: определяет процент мусора в куче, при достижении которого начнется сборка мусора. Пример использования: java -XX:+UseShenandoahGC -XX:ShenandoahGarbageThreshold=20 MyApplication.

ShenandoahUncommitDelay: параметр определяет задержку (в мс) перед тем, как Shenandoah GC освободит память, которая была выделена для кучи, но в данный момент не используется. По умолчанию значение этого параметра равно 1000 мс. Пример использования: java -XX:+UseShenandoahGC -XX:ShenandoahUncommitDelay=500 MyApplication (устанавливает задержку в 500 мс).

ShenandoahGCMode: параметр позволяет выбрать режим работы Shenandoah GC. Возможные значения включают:

normal: стандартный режим работы.

iu: (Immediate Update) режим, в котором обновление ссылок происходит сразу после копирования объекта.

satb: (Snapshot At The Beginning) режим, в котором используется алгоритм снимка состояния кучи в начале фазы маркировки.

Запуск сборщика

Добавляем параметр -XX:+UseShenandoahGC в командную строку при запуске приложения:

java -XX:+UseShenandoahGC -jar my-application.jar

Настроим сборщик так:

java -XX:+UseShenandoahGC \
     -XX:+UnlockExperimentalVMOptions \
     -XX:ShenandoahGCHeuristics=adaptive \
     -XX:+AlwaysPreTouch \
     -Xms4G -Xmx4G \
     -jar my-application.jar

-XX:+UseShenandoahGC: включает использование Shenandoah GC.

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions: разблокирует экспериментальные опции VM

-XX:ShenandoahGCHeuristics=adaptive: устанавливает эвристику Shenandoah на «адаптивную», что позволяет сборщику мусора автоматически адаптироваться к различным условиям работы приложения.

-XX:+AlwaysPreTouch: заставляет JVM заранее выделить и инициализировать всю память кучи при запуске.

-Xms4G -Xmx4G: устанавливает начальный и максимальный размер кучи в 4 гигабайта.

Сравнение с другими сборщиками

Сборщик мусора Shenandoah подходит для приложений, где важны короткие паузы на сборку мусора, независимо от размера кучи.

Больше практических инструментов Java-разработки эксперты из OTUS рассматривают в рамках практического онлайн-курса. Узнать о курсе подробнее можно по ссылке.