Che cos'è la Garbage Collection in Java?

OutofMemoryError è un tipo di errore che si verifica quando un programma o un'applicazione tenta di allocare più memoria della quantità disponibile. Questo errore si verifica quando la Java Virtual Machine (JVM) o un'altra piattaforma esaurisce la memoria mentre tenta di eseguire un'applicazione.

Un OutofMemoryError in genere si verifica quando un'applicazione o un programma tenta di creare nuovi oggetti, ma la JVM non è in grado di allocare memoria per ospitarli. Questo errore può verificarsi anche quando un'applicazione utilizza troppa memoria e non la rilascia correttamente.

Quando si verifica un OutOfMemoryError, l'applicazione di solito si blocca e si chiude. Questo errore è comune nei programmi che gestiscono grandi quantità di metadati, come applicazioni di elaborazione di immagini o video, oppure programmi che gestiscono database di grandi dimensioni.

Per risolvere questo errore, potrebbe essere necessario aumentare la quantità di memoria disponibile per l'applicazione oppure ottimizzare l'utilizzo della memoria dell'applicazione. Questo può essere fatto modificando i parametri JVM oppure utilizzando uno strumento di profilazione della memoria per individuare perdite di memoria o un utilizzo inefficiente della memoria.

In Java, tutti gli oggetti sono memorizzati nell'heap, che è una parte di memoria riservata all'allocazione dinamica degli oggetti. Quando non viene più fatto riferimento a un oggetto in nessuna parte del programma, diventa idoneo per la garbage collection.

Il garbage collector in Java esegue periodicamente la scansione della memoria heap per trovare gli oggetti che non vengono utilizzati. Il processo di garbage collection prevede diverse fasi, tra cui marcatura, pulizia e compattazione.

• Marcatura - La prima fase della garbage collection prevede la marcatura di tutti gli oggetti a cui fa ancora riferimento il programma. Questo viene fatto iniziando con un set di oggetti radice, ad esempio variabili globali, variabili locali e parametri di metodo, per poi tracciare tutti gli oggetti raggiungibili da tali radici. Gli oggetti che non possono essere raggiunti dalla radice sono considerati idonei per la garbage collection.

• Pulizia - Dopo la fase di marcatura, il garbage collector esamina l'heap di Java per individuare e recuperare la memoria utilizzata dagli oggetti a cui non viene più fatto riferimento. Questo comporta la deallocazione della memoria utilizzata dagli oggetti inutilizzati e l'aggiunta successiva al pool di memoria libero.

• Compattazione - In alcuni algoritmi di garbage collection, la fase di pulizia è seguita da una fase di compattazione, in cui la memoria utilizzata dagli oggetti rimanenti viene riorganizzata per ridurre al minimo la frammentazione. Questo comporta l'avvicinamento degli oggetti e la creazione di blocchi contigui più grandi di memoria libera.

La macchina virtuale Java (JVM) esegue automaticamente la garbage collection, quindi il programmatore non deve gestire manualmente la memoria. Il garbage collector viene eseguito su un thread separato e in genere opera in background, quindi non influisce sulla normale esecuzione del programma.

Esistono due tipi principali di algoritmi di Garbage Collection in Java: Full Garbage Collection e Incremental Garbage Collection.

Full Garbage Collection o Major Garbage Collection

La garbage collection è un processo in cui un garbage collector (una parte del sistema di runtime di un linguaggio di programmazione) cerca in tutta la memoria utilizzata da un programma e compila tutti gli oggetti che non vengono più utilizzati dal programma. Questi oggetti vengono quindi contrassegnati come dati inutilizzati e possono essere rimossi dalla memoria.

La full garbage collection in genere viene eseguita dal sistema runtime di un linguaggio di programmazione che utilizza la gestione automatica della memoria, come Java o Python. Durante il processo, il garbage collector mette in pausa l'esecuzione del programma per eseguire la ricerca di dati inutilizzati, il che può comportare un rallentamento temporaneo delle prestazioni del programma.

La full garbage collection viene solitamente attivata quando la quantità di memoria utilizzata da un programma raggiunge una determinata soglia o quando il programma richiede un nuovo blocco di memoria e non c'è abbastanza memoria libera disponibile. L'obiettivo della full garbage collection è recuperare la memoria non necessaria al programma, rendendola disponibile per l'uso da altre parti del programma o da altri programmi in esecuzione sulla stessa macchina.

Incremental Garbage Collection o Minor Garbage Collection

L'incrementale garbage collection è un tipo di tecnica di gestione della memoria utilizzata dai linguaggi di programmazione e dagli ambienti di runtime per recuperare automaticamente la memoria non più necessaria a un programma. Lo fa individuando gli oggetti in memoria che non vengono utilizzati e liberando la memoria che occupano in modo che possa essere riutilizzata da altre parti del programma.

Nella incremental garbage collection, il garbage collector analizza periodicamente la memoria del programma alla ricerca di oggetti irraggiungibili nella memoria heap delle giovani generazioni. Invece di interrompere l'esecuzione del programma durante questo processo di scansione, il garbage collector divide il processo di scansione in parti piccole e gestibili chiamate "incrementi". Durante ogni incremento, il garbage collector analizza una parte della memoria del programma, individuando gli oggetti non necessari e contrassegnandoli come disponibili per il riutilizzo.

Utilizzando gli incrementi, il garbage collector può recuperare la memoria in piccoli pezzi, senza interrompere l'esecuzione del programma per un periodo prolungato. Questo aiuta a garantire che il programma rimanga reattivo e non subisca pause o ritardi significativi a causa del processo di raccolta di dati inutilizzati.

Tuttavia, l'incremental garbage collection può essere meno efficiente di altri tipi di tecniche di garbage collection, come mark-and-sweep o generational garbage collection, in quanto richiede scansioni più frequenti della memoria del programma. Inoltre, l'utilizzo degli incrementi può introdurre un certo sovraccarico nell'esecuzione del programma, poiché il garbage collector deve mantenere le informazioni sullo stato tra ogni incremento.

Nel complesso, la garbage collection di Java offre molti vantaggi che la rendono uno strumento prezioso per gli sviluppatori. Di seguito sono riportati alcuni vantaggi dell'utilizzo della garbage collection di Java:

1. Nessuna gestione manuale della memoria
2. Previene le perdite di memoria
3. Allocazione dinamica della memoria
4. Offre prestazioni migliori
5. Ottimizzazione della memoria

• Nessuna gestione manuale della memoria: con la garbage collection, gli sviluppatori non devono gestire manualmente l'allocazione e la deallocazione della memoria. Questo significa che i programmatori possono concentrarsi maggiormente sulla scrittura di codice e meno sulla gestione della memoria, il che può aiutare a ridurre gli errori e migliorare la produttività.

• Previene le perdite di memoria: garbage collection aiuta a prevenire le perdite di memoria, che possono verificarsi quando un programma non rilascia memoria che non è più necessaria. Questo può far sì che il programma consumi più memoria del necessario, con conseguente rallentamento delle prestazioni e alla fine un arresto anomalo.

• Allocazione dinamica della memoria: la garbage collection di Java consente l'allocazione dinamica della memoria, il che significa che la memoria viene allocata secondo necessità in fase di runtime. Questo consente di prevenire errori di allocazione della memoria e può rendere il programma più efficiente.

• Prestazioni migliori: la garbage collection può aiutare a migliorare le prestazioni di un programma riducendo il tempo impiegato nella gestione della memoria. Questo può portare a tempi di esecuzione più rapidi e a un programma più reattivo.

• Ottimizzazione della memoria: la garbage collection può ottimizzare l'uso della memoria riutilizzando la memoria che non viene utilizzata da una parte del programma per altre parti del programma. Questo può aiutare a ridurre l'utilizzo della memoria e migliorare l'efficienza complessiva del programma.

Gli sviluppatori traggono vantaggio dalla capacità di Java Garbage Collection di gestire automaticamente la memoria, prevenire perdite di memoria, abilitare l'allocazione dinamica della memoria, migliorare le prestazioni e ottimizzare l'utilizzo della memoria, la garbage collection può aiutare gli sviluppatori a scrivere programmi migliori e più efficienti.

In Java, la garbage collection viene attivata automaticamente dalla JVM (Java Virtual Machine) quando stabilisce che l'heap è pieno o quando è trascorso un certo periodo di tempo.

Esistono diversi eventi che possono attivare la garbage collection in Java:

• Allocazione dello spazio nell'heap: quando la JVM deve allocare memoria per un nuovo oggetto e non c'è abbastanza spazio nell'heap, attiva la garbage collection per recuperare la memoria non utilizzata o memorizzarla nello spazio sopravvissuto.

• Chiamata al metodo System.gc (): può richiedere esplicitamente la garbage collection chiamando il metodo System.gc (), anche se non vi è alcuna garanzia che verrà eseguito.

• Soglia di vecchia generazione: la garbage collection può essere attivata anche quando la dimensione dell'heap di vecchia generazione (che memorizza oggetti a vita lunga) raggiunge una certa soglia.

• Soglia PermGen/Metaspace: nelle versioni Java precedenti a Java 8, la garbage collection può essere attivata anche quando la dimensione delle aree di memoria PermGen (generazione permanente) o Metaspace (in Java 8 e versioni successive) raggiunge una determinata soglia.

• Basata sul tempo: a volte, la garbage collection può essere attivata in base a un intervallo di tempo. Ad esempio, la JVM potrebbe attivare la garbage collection ogni ora oppure ogni giorno, indipendentemente dall'utilizzo della memoria.

Vale la pena notare che il comportamento esatto della garbage collection in Java può variare a seconda dell'implementazione e della configurazione della JVM.

Per richiedere alla Java Virtual Machine (JVM) di eseguire il garbage collector, devi seguire questi passaggi:

1. Chiama il metodo System.gc(): questo metodo viene utilizzato per richiedere alla JVM di eseguire il garbage collector. Non è garantito che il garbage collector venga eseguito immediatamente dopo la chiamata di questo metodo.

2. Utilizza il metodo Runtime.getRuntime().gc(): questo metodo è simile al metodo System.gc(), ma è meno probabile che venga sovrascritto dall'implementazione della JVM.

3. Utilizza il flag JVM -XX: +DisableExplicitGC: questo flag disabilita le richieste esplicite di garbage collection. Questo significa che anche se chiami System.gc() o runtime.getRuntime () .gc (), il garbage collector non verrà attivato.

È importante notare che in genere non è consigliabile richiedere esplicitamente l'esecuzione del garbage collector, poiché la JVM è progettata per gestire automaticamente l'allocazione della memoria e la garbage collection. Le richieste esplicite di garbage collection a volte possono avere un impatto negativo sulle prestazioni.

Un oggetto in un linguaggio di programmazione è idoneo per la garbage collection quando non è più referenziato da nessuna parte del programma. La garbage collection automatica è un processo che viene eseguito dall'ambiente di runtime del linguaggio di programmazione per recuperare la memoria.

Nella maggior parte dei linguaggi di programmazione moderni, la garbage collection viene eseguita automaticamente dall'ambiente di runtime. Gli algoritmi specifici utilizzati per la garbage collection possono variare a seconda del linguaggio di programmazione e dell'implementazione, ma il principio generale è lo stesso: l'ambiente di runtime esegue periodicamente la scansione dell'heap (la porzione di memoria utilizzata per gli oggetti allocati dinamicamente) per individuare gli oggetti che non sono più raggiungibili da alcun oggetto attivo nel programma. Una volta che un oggetto viene individuato come non raggiungibile, viene contrassegnato come dato non utilizzato e la sua memoria può essere recuperata.

La tempistica esatta in cui un oggetto è idoneo per la garbage collection dipende dallo specifico algoritmo della garbage collection utilizzato dall'ambiente di runtime. Alcuni algoritmi sono più aggressivi di altri e possono recuperare memoria più rapidamente, mentre altri possono ritardare la garbage collection per ottimizzare le prestazioni. Tuttavia, in generale, il programmatore non deve preoccuparsi di gestire la memoria manualmente, poiché l'ambiente di runtime se ne occupa automaticamente.

Esistono diversi garbage collector Java, tra cui:

1. Serial Garbage Collector
2. Parallel Garbage Collector
3. Collector Concurrent Mark Sweep (CMS)
4. Garbage Collector G1

• Serial Garbage Collector: il Serial Collector è il garbage collector predefinito in Java e in genere viene utilizzato in applicazioni di piccole e medie dimensioni che non richiedono un throughput elevato. Questo tipo di collector aiuta a prevenire il verificarsi dei comuni eventi "stop the world".

• Parallel Garbage Collector: Parallel Collector è progettato per applicazioni ad alto rendimento ed è particolarmente utile nelle applicazioni che richiedono grandi quantità perché utilizza più CPU per accelerare il processo. È importante notare che questo tipo di agente di raccolta blocca i thread dell'applicazione quando si esegue un Garbage Collector.

• Concurrent Mark Sweep (CMS) Collector: il CMS Collector è progettato per applicazioni che richiedono tempi di pausa ridotti ed è utile in applicazioni che hanno numerosi oggetti attivi.

• G1 Garbage Collector: il G1 collector è progettato per gli heap di grandi dimensioni e può gestire un insieme di oggetti di breve e lunga durata. Utilizza più thread per analizzare e compattare contemporaneamente l'heap.

Ogni garbage collector ha i suoi punti di forza e di debolezza e la scelta del collector da utilizzare dipende dalle esigenze specifiche dell'applicazione. È inoltre possibile configurare e regolare le impostazioni del garbage collector per ottimizzare le prestazioni per una particolare applicazione.

La garbage collection e le perdite di memoria sono entrambe correlate alla gestione della memoria nei programmi per computer, ma hanno significati e implicazioni diversi.

Come affermato in precedenza, la garbage collection in genere viene eseguita dal linguaggio di programmazione o dall'ambiente di runtime e aiuta a garantire che i programmi non consumino più memoria del necessario. La garbage collection individua la memoria libera di essere utilizzata da altre parti del programma o da altri programmi in esecuzione sul computer.

D'altra parte, una perdita della memoria si verifica quando un programma non riesce a rilasciare la memoria allocata, anche quando tale memoria non è più necessaria. Di conseguenza, il programma continua a consumare memoria nel tempo, portando all'eventuale esaurimento della memoria disponibile, il che può causare l'arresto anomalo del programma o dell'intero sistema operativo. Le perdite di memoria sono in genere causate da bug nel programma e possono essere difficili da individuare e risolvere.

In sintesi, la garbage collection è un processo per liberare automaticamente la memoria che non è più necessaria. Le perdite di memoria si verificano quando la memoria viene allocata ma non rilasciata da un programma, causando un accumulo graduale dell'utilizzo della memoria.

In conclusione, la garbage collection è un aspetto fondamentale della programmazione Java che garantisce una gestione efficiente della memoria recuperando quella inutilizzata. L'osservabilità di Instana fornisce agli sviluppatori potenti strumenti per monitorare e ottimizzare il processo di garbage collection in tempo reale.

Utilizzando Instana, gli sviluppatori possono individuare rapidamente le perdite di memoria, ottimizzare le impostazioni di garbage collection e risolvere i problemi di prestazioni correlati alla garbage collection.

Con le funzionalità di monitoraggio complete di Instana, gli sviluppatori possono ottenere insight approfonditi sull'utilizzo della memoria delle loro applicazioni Java e sul comportamento di garbage collection, consentendo loro di fornire software affidabile e ad alte prestazioni.

Seguendo le best practice descritte in questa guida, gli sviluppatori possono utilizzare Instana per ottimizzare il processo di garbage collection e migliorare le prestazioni complessive delle loro applicazioni Java. Con l'osservabilità di Instana, gli sviluppatori possono stare al passo con qualsiasi problema che possa sorgere, assicurando che le loro applicazioni funzionino sempre al meglio.