فارسی

با این راهنمای جامع برای تنظیم بازیافت حافظه (GC) در ماشین مجازی جاوا (JVM)، عملکرد و مصرف منابع برنامه‌های جاوای خود را بهینه کنید. با انواع GC، پارامترها و مثال‌های عملی آشنا شوید.

ماشین مجازی جاوا: نگاهی عمیق به تنظیمات بازیافت حافظه

قدرت جاوا در استقلال از پلتفرم آن نهفته است که از طریق ماشین مجازی جاوا (JVM) به دست می‌آید. یکی از جنبه‌های حیاتی JVM، مدیریت خودکار حافظه آن است که عمدتاً توسط بازیافت‌کننده حافظه (garbage collector یا GC) انجام می‌شود. درک و تنظیم GC برای عملکرد بهینه برنامه، به‌ویژه برای برنامه‌های جهانی که با حجم کاری متنوع و مجموعه داده‌های بزرگ سروکار دارند، بسیار مهم است. این راهنما یک نمای کلی جامع از تنظیمات GC، شامل انواع بازیافت‌کننده‌های حافظه، پارامترهای تنظیم و مثال‌های عملی ارائه می‌دهد تا به شما در بهینه‌سازی برنامه‌های جاوای خود کمک کند.

درک بازیافت حافظه در جاوا

بازیافت حافظه فرآیند بازیابی خودکار حافظه اشغال‌شده توسط اشیائی است که دیگر توسط برنامه استفاده نمی‌شوند. این کار از نشت حافظه (memory leaks) جلوگیری می‌کند و با آزاد کردن توسعه‌دهندگان از مدیریت دستی حافظه، توسعه را ساده‌تر می‌سازد، که یک مزیت قابل توجه در مقایسه با زبان‌هایی مانند C و C++ است. GC در JVM این اشیاء بلااستفاده را شناسایی و حذف کرده و حافظه را برای ایجاد اشیاء جدید در آینده در دسترس قرار می‌دهد. انتخاب بازیافت‌کننده حافظه و پارامترهای تنظیم آن تأثیر عمیقی بر عملکرد برنامه دارد، از جمله:

انواع بازیافت‌کننده‌های حافظه در JVM

JVM انواع مختلفی از بازیافت‌کننده‌های حافظه را ارائه می‌دهد که هر کدام نقاط قوت و ضعف خود را دارند. انتخاب یک بازیافت‌کننده حافظه به نیازمندی‌های برنامه و ویژگی‌های حجم کاری آن بستگی دارد. بیایید برخی از برجسته‌ترین آنها را بررسی کنیم:

۱. بازیافت‌کننده حافظه سریال (Serial Garbage Collector)

Serial GC یک بازیافت‌کننده تک‌نخی است که عمدتاً برای برنامه‌هایی که روی ماشین‌های تک‌هسته‌ای یا آنهایی که هیپ (heap) بسیار کوچکی دارند، مناسب است. این ساده‌ترین بازیافت‌کننده است و چرخه‌های کامل GC را انجام می‌دهد. عیب اصلی آن وقفه‌های طولانی 'stop-the-world' است که آن را برای محیط‌های تولیدی که نیاز به تأخیر کم دارند، نامناسب می‌سازد.

۲. بازیافت‌کننده حافظه موازی (Parallel Garbage Collector) (بازیافت‌کننده توان عملیاتی)

Parallel GC که به عنوان بازیافت‌کننده توان عملیاتی (throughput collector) نیز شناخته می‌شود، با هدف به حداکثر رساندن توان عملیاتی برنامه طراحی شده است. این بازیافت‌کننده از چندین نخ برای انجام بازیافت‌های جزئی (minor) و اصلی (major) حافظه استفاده می‌کند و مدت زمان چرخه‌های GC را کاهش می‌دهد. این یک انتخاب خوب برای برنامه‌هایی است که در آنها به حداکثر رساندن توان عملیاتی مهم‌تر از تأخیر کم است، مانند کارهای پردازش دسته‌ای (batch processing).

۳. بازیافت‌کننده حافظه CMS (Concurrent Mark Sweep) (منسوخ شده)

CMS برای کاهش زمان وقفه با انجام بیشتر عملیات بازیافت حافظه به صورت همزمان با نخ‌های برنامه طراحی شده بود. این بازیافت‌کننده از رویکرد علامت‌گذاری و پاک‌سازی همزمان (concurrent mark-sweep) استفاده می‌کرد. در حالی که CMS وقفه‌های کمتری نسبت به Parallel GC ارائه می‌داد، ممکن بود از مشکل چندپارگی (fragmentation) رنج ببرد و سربار CPU بالاتری داشت. CMS از جاوا ۹ منسوخ شده است و دیگر برای برنامه‌های جدید توصیه نمی‌شود. G1GC جایگزین آن شده است.

۴. G1GC (Garbage-First Garbage Collector)

G1GC از جاوا ۹ به بعد بازیافت‌کننده حافظه پیش‌فرض است و هم برای اندازه‌های بزرگ هیپ و هم برای زمان‌های وقفه کم طراحی شده است. این بازیافت‌کننده هیپ را به مناطقی (regions) تقسیم می‌کند و جمع‌آوری مناطقی را که بیشترین زباله را دارند در اولویت قرار می‌دهد، از این رو نام آن 'Garbage-First' (اول-زباله) است. G1GC تعادل خوبی بین توان عملیاتی و تأخیر فراهم می‌کند و آن را به یک انتخاب همه‌کاره برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها تبدیل می‌کند. هدف آن نگه داشتن زمان وقفه زیر یک هدف مشخص (مثلاً ۲۰۰ میلی‌ثانیه) است.

۵. ZGC (Z Garbage Collector)

ZGC یک بازیافت‌کننده حافظه با تأخیر کم است که در جاوا ۱۱ معرفی شد (در جاوا ۱۱ آزمایشی، از جاوا ۱۵ آماده برای تولید). هدف آن به حداقل رساندن زمان‌های وقفه GC تا ۱۰ میلی‌ثانیه است، صرف نظر از اندازه هیپ. ZGC به صورت همزمان کار می‌کند و برنامه تقریباً بدون وقفه اجرا می‌شود. این برای برنامه‌هایی که به تأخیر بسیار کم نیاز دارند، مانند سیستم‌های معاملات با فرکانس بالا یا پلتفرم‌های بازی آنلاین، مناسب است. ZGC از اشاره‌گرهای رنگی (colored pointers) برای ردیابی ارجاعات به اشیاء استفاده می‌کند.

۶. بازیافت‌کننده حافظه Shenandoah

Shenandoah یک بازیافت‌کننده حافظه با زمان وقفه کم است که توسط Red Hat توسعه داده شده و یک جایگزین بالقوه برای ZGC است. این بازیافت‌کننده نیز با انجام بازیافت حافظه همزمان، به دنبال زمان‌های وقفه بسیار کم است. وجه تمایز کلیدی Shenandoah این است که می‌تواند هیپ را به صورت همزمان فشرده‌سازی کند، که می‌تواند به کاهش چندپارگی کمک کند. Shenandoah در OpenJDK و توزیع‌های Red Hat از جاوا آماده برای تولید است. این بازیافت‌کننده به دلیل زمان‌های وقفه کم و ویژگی‌های توان عملیاتی‌اش شناخته شده است. Shenandoah کاملاً با برنامه همزمان است که این مزیت را دارد که اجرای برنامه را در هیچ لحظه‌ای متوقف نمی‌کند. کار از طریق یک نخ اضافی انجام می‌شود.

پارامترهای کلیدی تنظیم GC

تنظیم بازیافت حافظه شامل تنظیم پارامترهای مختلف برای بهینه‌سازی عملکرد است. در اینجا برخی از پارامترهای حیاتی برای بررسی آورده شده‌اند که برای وضوح دسته‌بندی شده‌اند:

۱. پیکربندی اندازه هیپ (Heap Size)

۲. انتخاب بازیافت‌کننده حافظه

۳. پارامترهای خاص G1GC

۴. پارامترهای خاص ZGC

۵. سایر پارامترهای مهم

مثال‌های عملی تنظیم GC

بیایید به چند مثال عملی برای سناریوهای مختلف نگاه کنیم. به یاد داشته باشید که اینها نقاط شروع هستند و نیاز به آزمایش و نظارت بر اساس ویژگی‌های خاص برنامه شما دارند. نظارت بر برنامه‌ها برای داشتن یک معیار مناسب مهم است. همچنین، نتایج ممکن است بسته به سخت‌افزار متفاوت باشد.

۱. برنامه پردازش دسته‌ای (متمرکز بر توان عملیاتی)

برای برنامه‌های پردازش دسته‌ای، هدف اصلی معمولاً به حداکثر رساندن توان عملیاتی است. تأخیر کم چندان حیاتی نیست. Parallel GC اغلب یک انتخاب خوب است.

java -Xms4g -Xmx4g -XX:+UseParallelGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mybatchapp.jar

در این مثال، ما حداقل و حداکثر اندازه هیپ را روی ۴ گیگابایت تنظیم کرده، Parallel GC را فعال کرده و لاگ‌برداری دقیق GC را فعال کرده‌ایم.

۲. برنامه وب (حساس به تأخیر)

برای برنامه‌های وب، تأخیر کم برای تجربه کاربری خوب حیاتی است. G1GC یا ZGC (یا Shenandoah) اغلب ترجیح داده می‌شوند.

استفاده از G1GC:

java -Xms8g -Xmx8g -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mywebapp.jar

این پیکربندی حداقل و حداکثر اندازه هیپ را روی ۸ گیگابایت تنظیم می‌کند، G1GC را فعال می‌کند و حداکثر زمان وقفه هدف را روی ۲۰۰ میلی‌ثانیه تنظیم می‌کند. مقدار MaxGCPauseMillis را بر اساس نیازهای عملکرد خود تنظیم کنید.

استفاده از ZGC (نیاز به جاوا ۱۱+):

java -Xms8g -Xmx8g -XX:+UseZGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mywebapp.jar

این مثال ZGC را با پیکربندی هیپ مشابه فعال می‌کند. از آنجایی که ZGC برای تأخیر بسیار کم طراحی شده است، معمولاً نیازی به پیکربندی هدف زمان وقفه ندارید. ممکن است برای سناریوهای خاص پارامترهایی اضافه کنید؛ به عنوان مثال، اگر با مشکلات نرخ تخصیص مواجه هستید، می‌توانید -XX:ZAllocationSpikeFactor=2 را امتحان کنید.

۳. سیستم معاملات با فرکانس بالا (تأخیر بسیار کم)

برای سیستم‌های معاملات با فرکانس بالا، تأخیر بسیار کم از اهمیت بالایی برخوردار است. ZGC یک انتخاب ایده‌آل است، با فرض اینکه برنامه با آن سازگار باشد. اگر از جاوا ۸ استفاده می‌کنید یا مشکلات سازگاری دارید، Shenandoah را در نظر بگیرید.

java -Xms16g -Xmx16g -XX:+UseZGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mytradingapp.jar

مشابه مثال برنامه وب، ما اندازه هیپ را تنظیم کرده و ZGC را فعال می‌کنیم. تنظیم بیشتر پارامترهای خاص ZGC را بر اساس حجم کاری در نظر بگیرید.

۴. برنامه‌های با مجموعه داده‌های بزرگ

برای برنامه‌هایی که با مجموعه داده‌های بسیار بزرگ سروکار دارند، ملاحظات دقیقی لازم است. استفاده از اندازه هیپ بزرگتر ممکن است ضروری باشد و نظارت حتی مهم‌تر می‌شود. داده‌ها همچنین می‌توانند در نسل جوان کش شوند اگر مجموعه داده کوچک و اندازه آن نزدیک به اندازه نسل جوان باشد.

نکات زیر را در نظر بگیرید:

برای یک مجموعه داده بزرگ، نسبت نسل جوان به نسل قدیم مهم است. مثال زیر را برای دستیابی به زمان‌های وقفه کم در نظر بگیرید:

java -Xms32g -Xmx32g -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:G1NewSizePercent=20 -XX:G1MaxNewSizePercent=30 -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mydatasetapp.jar

این مثال یک هیپ بزرگتر (۳۲ گیگابایت) تنظیم می‌کند و G1GC را با زمان وقفه هدف کمتر و اندازه نسل جوان تنظیم‌شده، دقیق‌تر می‌کند. پارامترها را بر این اساس تنظیم کنید.

نظارت و تجزیه و تحلیل

تنظیم GC یک تلاش یک‌باره نیست؛ این یک فرآیند تکراری است که نیاز به نظارت و تجزیه و تحلیل دقیق دارد. در اینجا نحوه رویکرد به نظارت آورده شده است:

۱. لاگ‌برداری GC

لاگ‌برداری دقیق GC را با استفاده از پارامترهایی مانند -XX:+PrintGCDetails، -XX:+PrintGCTimeStamps و -Xloggc: فعال کنید. فایل‌های لاگ را برای درک رفتار GC، از جمله زمان‌های وقفه، فرکانس چرخه‌های GC و الگوهای استفاده از حافظه، تجزیه و تحلیل کنید. استفاده از ابزارهایی مانند GCViewer یا GCeasy را برای تجسم و تجزیه و تحلیل لاگ‌های GC در نظر بگیرید.

۲. ابزارهای نظارت بر عملکرد برنامه (APM)

از ابزارهای APM (مانند Datadog، New Relic، AppDynamics) برای نظارت بر عملکرد برنامه، از جمله استفاده از CPU، استفاده از حافظه، زمان‌های پاسخ و نرخ خطا استفاده کنید. این ابزارها می‌توانند به شناسایی گلوگاه‌های مربوط به GC کمک کرده و بینش‌هایی در مورد رفتار برنامه ارائه دهند. ابزارهایی در بازار مانند Prometheus و Grafana نیز می‌توانند برای مشاهده بینش‌های عملکردی در زمان واقعی استفاده شوند.

۳. هیپ دامپ‌ها (Heap Dumps)

هنگام وقوع خطاهای OutOfMemoryError، هیپ دامپ بگیرید (با استفاده از -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError و -XX:HeapDumpPath=). هیپ دامپ‌ها را با استفاده از ابزارهایی مانند Eclipse MAT (Memory Analyzer Tool) برای شناسایی نشت حافظه و درک الگوهای تخصیص اشیاء تجزیه و تحلیل کنید. هیپ دامپ‌ها یک تصویر لحظه‌ای از استفاده حافظه برنامه در یک نقطه زمانی خاص ارائه می‌دهند.

۴. پروفایلینگ (Profiling)

از ابزارهای پروفایلینگ جاوا (مانند JProfiler، YourKit) برای شناسایی گلوگاه‌های عملکردی در کد خود استفاده کنید. این ابزارها می‌توانند بینش‌هایی در مورد ایجاد اشیاء، فراخوانی متدها و استفاده از CPU ارائه دهند، که می‌تواند به طور غیرمستقیم به شما در تنظیم GC با بهینه‌سازی کد برنامه کمک کند.

بهترین شیوه‌ها برای تنظیم GC

نتیجه‌گیری

تنظیم بازیافت حافظه یک جنبه حیاتی از بهینه‌سازی عملکرد برنامه‌های جاوا است. با درک انواع بازیافت‌کننده‌های حافظه، پارامترهای تنظیم و تکنیک‌های نظارت، می‌توانید به طور مؤثر برنامه‌های خود را برای برآورده کردن نیازمندی‌های عملکردی خاص بهینه کنید. به یاد داشته باشید که تنظیم GC یک فرآیند تکراری است و برای دستیابی به نتایج بهینه نیاز به نظارت و تجزیه و تحلیل مداوم دارد. با پیش‌فرض‌ها شروع کنید، برنامه خود را درک کنید و با پیکربندی‌های مختلف آزمایش کنید تا بهترین گزینه را برای نیازهای خود پیدا کنید. با پیکربندی و نظارت مناسب، می‌توانید اطمینان حاصل کنید که برنامه‌های جاوای شما به طور کارآمد و قابل اعتماد عمل می‌کنند، صرف نظر از دسترسی جهانی شما.