Die Verwaltung von Speicher ist ein zentrales Thema in der Java-Programmierung. Java nutzt eine automatische Speicherverwaltung, um Entwickler von der Notwendigkeit zu entlasten, den Speicher manuell zuzuweisen und freizugeben. Dieses System, bekannt als Garbage Collection (GC), sorgt dafür, dass nicht mehr benötigte Objekte aus dem Speicher entfernt werden, um Platz für neue Objekte zu schaffen. In Java 21 stehen mehrere Garbage Collector Algorithmen zur Verfügung, die jeweils für unterschiedliche Anwendungsfälle und Leistungsanforderungen optimiert sind. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten GC-Algorithmen in Java 21.
Überblick über Garbage Collection
Bevor wir uns den spezifischen Algorithmen widmen, ist es wichtig, das grundlegende Konzept der Garbage Collection zu verstehen. Java-Programme erstellen während ihrer Laufzeit eine Vielzahl von Objekten im Heap-Speicher. Der Garbage Collector hat die Aufgabe, unbenutzte Objekte zu identifizieren und deren Speicher freizugeben. Dies geschieht in mehreren Phasen:
- Markieren: Der GC identifiziert alle lebenden Objekte, indem er von den Wurzeln (z.B. globale Variablen, lokale Variablen in laufenden Threads) ausgeht und alle erreichbaren Objekte markiert.
- Bereinigen: Alle nicht markierten Objekte werden als Müll betrachtet und deren Speicher wird freigegeben.
- Kompaktieren: Manchmal wird der Speicher reorganisiert, um Fragmentierung zu vermeiden und die Speicherallokation effizienter zu gestalten.
Die Garbage Collector Algorithmen in Java 21
1. Serial Garbage Collector (Serial GC)
Der Serial GC ist der einfachste GC-Algorithmus und wird hauptsächlich in Single-Threaded-Umgebungen oder für kleinere Anwendungen verwendet. Er führt die GC-Arbeit sequentiell in einem einzelnen Thread aus. Dies bedeutet, dass während der Garbage Collection alle anderen Threads angehalten werden (Stop-the-World-Pause).
Vorteile:
- Einfache Implementierung und Konfiguration.
- Geringe Overhead-Kosten.
Nachteile:
- Nicht geeignet für Multi-Threaded-Anwendungen.
- Längere Stop-the-World-Pausen.
2. Parallel Garbage Collector (Parallel GC)
Der Parallel GC, auch bekannt als „Throughput Collector“, nutzt mehrere Threads für die Mark- und Sweep-Phasen. Er ist darauf ausgelegt, die maximale Anwendungsleistung zu erreichen, indem er die Pausenzeiten minimiert.
Vorteile:
- Bessere Leistung in Multi-Threaded-Umgebungen.
- Reduzierte GC-Pausen im Vergleich zum Serial GC.
Nachteile:
- Höherer Ressourcenverbrauch aufgrund der Nutzung mehrerer Threads.
- Kann in latenzkritischen Anwendungen unvorhersehbare Pausenzeiten verursachen.
3. Garbage First Garbage Collector (G1 GC)
Der G1 GC wurde entwickelt, um eine vorhersehbare und niedrige Latenz zu bieten, insbesondere in großen Heap-Umgebungen. G1 teilt den Heap in Regionen auf und führt die Garbage Collection inkrementell und parallel durch. Der GC priorisiert Regionen mit dem meisten Müll, um die Effizienz zu maximieren.
Vorteile:
- Geringe und vorhersagbare Pausenzeiten.
- Geeignet für Anwendungen mit großen Heaps.
Nachteile:
- Komplexere Implementierung und Tuning.
- Höherer Ressourcenbedarf im Vergleich zum Serial und Parallel GC.
4. Z Garbage Collector (ZGC)
Der ZGC ist ein skalierbarer, niedriger Latenz-Garbage Collector, der für sehr große Heaps (bis zu Terabyte) optimiert ist. Er führt die meisten seiner Arbeiten ohne Stop-the-World-Pausen durch, was zu extrem niedrigen Pausenzeiten führt (typischerweise im Bereich von wenigen Millisekunden).
Vorteile:
- Extrem niedrige Pausenzeiten.
- Unterstützt sehr große Heaps.
Nachteile:
- Höherer Ressourcenbedarf und Komplexität.
- Möglicherweise nicht ideal für kleinere Anwendungen aufgrund des Overheads.
5. Shenandoah Garbage Collector
Shenandoah ist ähnlich wie ZGC ein niedriger Latenz-GC, der jedoch unabhängig von der Heap-Größe darauf abzielt, die Pausenzeiten minimal zu halten. Shenandoah erreicht dies durch eine parallele und concurrent Mark-and-Sweep-Strategie.
Vorteile:
- Niedrige und konsistente Pausenzeiten.
- Gute Performance auch bei mittleren bis großen Heaps.
Nachteile:
- Noch in aktiver Entwicklung und Optimierung.
- Komplexität bei der Konfiguration und dem Tuning.
6. Epsilon Garbage Collector
Epsilon ist ein experimenteller GC, der eigentlich gar keine Garbage Collection durchführt. Er dient hauptsächlich zu Testzwecken und zur Leistungsanalyse, indem er die Overheads der Garbage Collection komplett entfernt.
Vorteile:
- Kein Overhead durch Garbage Collection.
- Ideal für Performance-Tests und Benchmarks.
Nachteile:
- Nicht praktikabel für produktive Umgebungen, da Speicherlecks unvermeidbar sind.
- Anwendung stürzt ab, wenn der Heap voll ist.
Fazit
Die Wahl des richtigen Garbage Collectors hängt stark von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Während der Serial GC für einfache, single-threaded Anwendungen geeignet ist, bieten der Parallel GC und der G1 GC bessere Performance für komplexere und größere Anwendungen. ZGC und Shenandoah sind die bevorzugten Wahlmöglichkeiten für Anwendungen, die niedrige Latenzzeiten und große Heaps benötigen. Epsilon bleibt eine nützliche Option für spezielle Testszenarien.
Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Optimierung der Garbage Collector Algorithmen in Java spiegelt das Bestreben wider, eine möglichst effiziente Speicherverwaltung bereitzustellen, die sowohl die Leistung als auch die Nutzererfahrung verbessert. Mit der richtigen Wahl des GC-Algorithmus kann die Java-Anwendung ihre maximale Effizienz und Stabilität erreichen.