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老大难的Java GC原理和调优,看这篇就够了

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概述

本文介绍GC基础原理和理论,GC调优方法思路和方法,基于Hotspot jdk1.8,学习之后将了解如何对生产系统出现的GC问题进行排查解决

阅读时长约30分钟,内容主要如下:

GC基础原理,涉及调优目标,GC事件分类、JVM内存分配策略、GC日志分析等CMS原理及调优G1原理及调优GC问题排查和解决思路

GC基础原理

1 GC调优目标

大多数情况下对 Java 程序进行GC调优, 主要关注两个目标:响应速度、吞吐量

响应速度(Responsiveness)

响应速度指程序或系统对一个请求的响应有多迅速
比如,用户订单查询响应时间,对响应速度要求很高的系统,较大的停顿时间是不可接受的
调优的重点是在短的时间内快速响应

吞吐量(Throughput)

吞吐量关注在一个特定时间段内应用系统的最大工作量,例如每小时批处理系统能完成的任务数量,在吞吐量方面优化的系统,较长的GC停顿时间也是可以接受的,因为高吞吐量应用更关心的是如何尽可能快地完成整个任务,不考虑快速响应用户请求

GC调优中,GC导致的应用暂停时间影响系统响应速度,GC处理线程的CPU使用率影响系统吞吐量

2 GC分代收集算法

现代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法,其主要思想:
将Java的堆内存逻辑上分成两块:新生代、老年代,针对不同存活周期、不同大小的对象采取不同的垃圾回收策略

新生代(Young Generation)

新生代又叫年轻代,大多数对象在新生代中被创建,很多对象的生命周期很短
每次新生代的垃圾回收(又称Young GC、Minor GC、YGC)后只有少量对象存活,所以使用复制算法,只需少量的复制操作成本就可以完成回收

新生代内又分三个区:一个Eden区,两个Survivor区(S0、S1,又称From Survivor、To Survivor),大部分对象在Eden区中生成
当Eden区满时,还存活的对象将被复制到两个Survivor区(中的一个)
当这个Survivor区满时,此区的存活且不满足晋升到老年代条件的对象将被复制到另外一个Survivor区
对象每经历一次复制,年龄加1,达到晋升年龄阈值后,转移到老年代

老年代(Old Generation)

在新生代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象,就会被放到老年代,该区域中对象存活率高
老年代的垃圾回收通常使用“标记-整理”算法

3 GC事件分类

根据垃圾收集回收的区域不同,垃圾收集主要通常分为Young GC、Old GC、Full GC、Mixed GC

(1) Young GC

新生代内存的垃圾收集事件称为Young GC(又称Minor GC),当JVM无法为新对象分配在新生代内存空间时总会触发 Young GC,比如 Eden 区占满时
新对象分配频率越高, Young GC 的频率就越高

Young GC 每次都会引起全线停顿(Stop-The-World),暂停所有的应用线程,停顿时间相对老年代GC的造成的停顿,几乎可以忽略不计

(2) Old GC 、Full GC、Mixed GC

Old GC,只清理老年代空间的GC事件,只有CMS的并发收集是这个模式
Full GC,清理整个堆的GC事件,包括新生代、老年代、元空间等

Mixed GC,清理整个新生代以及部分老年代的GC,只有G1有这个模式

4 GC日志分析

GC日志是一个很重要的工具,它准确记录了每一次的GC的执行时间和执行结果,通过分析GC日志可以调优堆设置和GC设置,或者改进应用程序的对象分配模式,开启的JVM启动参数如下:

-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps  -XX:+PrintGCTimeStamps

常见的Young GC、Full GC日志含义如下:

免费的GC日志图形分析工具推荐下面2个:

GCViewer

),下载jar包直接运行

gceasy,web工具,上传GC日志在线使用

5 内存分配策略

Java提供的自动内存管理,可以归结为解决了对象的内存分配和回收的问题,前面已经介绍了内存回收,下面介绍几条最普遍的内存分配策略

对象优先在Eden区分配

大多数情况下,对象在先新生代Eden区中分配
当Eden区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次Young GC

大对象之间进入老年代

JVM提供了一个对象大小阈值参数(-XX:PretenureSizeThreshold,默认值为0,代表不管多大都是先在Eden中分配内存),大于参数设置的阈值值的对象直接在老年代分配,这样可以避免对象在Eden及两个Survivor直接发生大内存复制

长期存活的对象将进入老年代

对象每经历一次垃圾回收,且没被回收掉,它的年龄就增加1,大于年龄阈值参数(-XX:MaxTenuringThreshold,默认15)的对象,将晋升到老年代中

空间分配担保

当进行Young GC之前,JVM需要预估:老年代是否能够容纳Young GC后新生代晋升到老年代的存活对象,以确定是否需要提前触发GC回收老年代空间,基于空间分配担保策略来计算:

continueSize:老年代最大可用连续空间

Young GC之后如果成功(Young GC后晋升对象能放入老年代),则代表担保成功,不用再进行Full GC,提高性能;如果失败,则会出现“promotion failed”错误,代表担保失败,需要进行Full GC

动态年龄判定

新生代对象的年龄可能没达到阈值(MaxTenuringThreshold参数指定)就晋升老年代,如果Young GC之后,新生代存活对象达到相同年龄所有对象大小的总和大于任一Survivor空间(S0 或 S1总空间)的一半,此时S0或者S1区即将容纳不了存活的新生代对象,年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代,无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄

另外,如果Young GC后S0或S1区不足以容纳:未达到晋升老年代条件的新生代存活对象,会导致这些存活对象直接进入老年代,需要尽量避免

CMS原理及调优

1 名词解释

可达性分析算法:用于判断对象是否存活,基本思想是通过一系列称为“GC Root”的对象作为起点(常见的GC Root有系统类加载器、栈中的对象、处于激活状态的线程等),基于对象引用关系,从GC Roots开始向下搜索,所走过的路径称为引用链,当一个对象到GC Root没有任何引用链相连,证明对象不再存活

Stop The World:GC过程中分析对象引用关系,为了保证分析结果的准确性,需要通过停顿所有Java执行线程,保证引用关系不再动态变化,该停顿事件称为Stop The World(STW)

Safepoint:代码执行过程中的一些特殊位置,当线程执行到这些位置的时候,说明虚拟机当前的状态是安全的,如果有需要GC,线程可以在这个位置暂停
HotSpot采用主动中断的方式,让执行线程在运行期轮询是否需要暂停的标志,若需要则中断挂起

2 CMS简介

CMS(Concurrent Mark and Swee 并发-标记-清除),是一款基于并发、使用标记清除算法的垃圾回收算法,只针对老年代进行垃圾回收
CMS收集器工作时,尽可能让GC线程和用户线程并发执行,以达到降低STW时间的目的

通过以下命令行参数,启用CMS垃圾收集器:

-XX:+UseConcMarkSweepGC

值得补充的是,下面介绍到的CMS GC是指老年代的GC,而Full GC指的是整个堆的GC事件,包括新生代、老年代、元空间等,两者有所区分

3 新生代垃圾回收

能与CMS搭配使用的新生代垃圾收集器有Serial收集器和ParNew收集器
这2个收集器都采用标记复制算法,都会触发STW事件,停止所有的应用线程
不同之处在于,Serial是单线程执行,ParNew是多线程执行

4 老年代垃圾回收

CMS GC以获取最小停顿时间为目的,尽可能减少STW时间,可以分为7个阶段

阶段 1: 初始标记(Initial Mark)

此阶段的目标是标记老年代中所有存活的对象, 包括 GC Root 的直接引用, 以及由新生代中存活对象所引用的对象,触发第一次STW事件

这个过程是支持多线程的(JDK7之前单线程,JDK8之后并行,可通过参数CMSParallelInitialMarkEnabled调整)

阶段 2: 并发标记(Concurrent Mark)

此阶段GC线程和应用线程并发执行,遍历阶段1初始标记出来的存活对象,然后继续递归标记这些对象可达的对象

阶段 3: 并发预清理(Concurrent Preclean)

此阶段GC线程和应用线程也是并发执行,因为阶段2是与应用线程并发执行,可能有些引用关系已经发生改变

通过卡片标记(Card Marking),提前把老年代空间逻辑划分为相等大小的区域(Card),如果引用关系发生改变,JVM会将发生改变的区域标记位“脏区”(Dirty Card),然后在本阶段,这些脏区会被找出来,刷新引用关系,清除“脏区”标记

阶段 4: 并发可取消的预清理(Concurrent Abortable Preclean)

此阶段也不停止应用线程. 本阶段尝试在 STW 的 最终标记阶段(Final Remark)之前尽可能地多做一些工作,以减少应用暂停时间
在该阶段不断循环处理:标记老年代的可达对象、扫描处理Dirty Card区域中的对象,循环的终止条件有:
1 达到循环次数
2 达到循环执行时间阈值
3 新生代内存使用率达到阈值

阶段 5: 最终标记(Final Remark)

这是GC事件中第二次(也是最后一次)STW阶段,目标是完成老年代中所有存活对象的标记
在此阶段执行:
1 遍历新生代对象,重新标记
2 根据GC Roots,重新标记
3 遍历老年代的Dirty Card,重新标记

阶段 6: 并发清除(Concurrent Sweep)

此阶段与应用程序并发执行,不需要STW停顿,根据标记结果清除垃圾对象

阶段 7: 并发重置(Concurrent Reset)

此阶段与应用程序并发执行,重置CMS算法相关的内部数据, 为下一次GC循环做准备

5 CMS常见问题

最终标记阶段停顿时间过长问题

CMS的GC停顿时间约80%都在最终标记阶段(Final Remark),若该阶段停顿时间过长,常见原因是新生代对老年代的无效引用,在上一阶段的并发可取消预清理阶段中,执行阈值时间内未完成循环,来不及触发Young GC,清理这些无效引用

通过添加参数:-XX:+CMSScavengeBeforeRemark
在执行最终操作之前先触发Young GC,从而减少新生代对老年代的无效引用,降低最终标记阶段的停顿,但如果在上个阶段(并发可取消的预清理)已触发Young GC,也会重复触发Young GC

并发模式失败(concurrent mode failure) & 晋升失败(promotion failed)问题

并发模式失败:当CMS在执行回收时,新生代发生垃圾回收,同时老年代又没有足够的空间容纳晋升的对象时,CMS 垃圾回收就会退化成单线程的Full GC
所有的应用线程都会被暂停,老年代中所有的无效对象都被回收

晋升失败:当新生代发生垃圾回收,老年代有足够的空间可以容纳晋升的对象,但是由于空闲空间的碎片化,导致晋升失败,此时会触发单线程且带压缩动作的Full GC

并发模式失败和晋升失败都会导致长时间的停顿,常见解决思路如下:

降低触发CMS GC的阈值,即参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值,让CMS GC尽早执行,以保证有足够的空间增加CMS线程数,即参数-XX:ConcGCThreads,增大老年代空间让对象尽量在新生代回收,避免进入老年代

内存碎片问题

通常CMS的GC过程基于标记清除算法,不带压缩动作,导致越来越多的内存碎片需要压缩,常见以下场景会触发内存碎片压缩:

新生代Young GC出现新生代晋升担保失败(promotion failed)程序主动执行System.gc()

可通过参数CMSFullGCsBeforeCompaction的值,设置多少次Full GC触发一次压缩,默认值为0,代表每次进入Full GC都会触发压缩,带压缩动作的算法为上面提到的单线程Serial Old算法,暂停时间(STW)时间非常长,需要尽可能减少压缩时间

G1原理及调优

1 G1简介

G1(Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,支持新生代和老年代空间的垃圾收集,主要针对配备多核处理器及大容量内存的机器,G1最主要的设计目标是: 实现可预期及可配置的STW停顿时间

2 G1堆空间划分

Region

为实现大内存空间的低停顿时间的回收,将划分为多个大小相等的Region
每个小堆区都可能是 Eden区,Survivor区或者Old区,但是在同一时刻只能属于某个代

在逻辑上, 所有的Eden区和Survivor区合起来就是新生代,所有的Old区合起来就是老年代,且新生代和老年代各自的内存Region区域由G1自动控制,不断变动

巨型对象

当对象大小超过Region的一半,则认为是巨型对象(Humongous Object),直接被分配到老年代的巨型对象区(Humongous regions),这些巨型区域是一个连续的区域集,每一个Region中最多有一个巨型对象,巨型对象可以占多个Region

G1把堆内存划分成一个个Region的意义在于:

每次GC不必都去处理整个堆空间,而是每次只处理一部分Region,实现大容量内存的GC通过计算每个Region的回收价值,包括回收所需时间、可回收空间,在有限时间内尽可能回收更多的垃圾对象,把垃圾回收造成的停顿时间控制在预期配置的时间范围内,这也是G1名称的由来: garbage-first

3 G1工作模式

针对新生代和老年代,G1提供2种GC模式,Young GC和Mixed GC,两种会导致Stop The World

Young GC

当新生代的空间不足时,G1触发Young GC回收新生代空间
Young GC主要是对Eden区进行GC,它在Eden空间耗尽时触发,基于分代回收思想和复制算法,每次Young GC都会选定所有新生代的Region,同时计算下次Young GC所需的Eden区和Survivor区的空间,动态调整新生代所占Region个数来控制Young GC开销

Mixed GC

当老年代空间达到阈值会触发Mixed GC,选定所有新生代里的Region,根据全局并发标记阶段(下面介绍到)统计得出收集收益高的若干老年代 Region
在用户指定的开销目标范围内,尽可能选择收益高的老年代Region进行GC,通过选择哪些老年代Region和选择多少Region来控制Mixed GC开销

4 全局并发标记

全局并发标记主要是为Mixed GC计算找出回收收益较高的Region区域,具体分为5个阶段

阶段 1: 初始标记(Initial Mark)

暂停所有应用线程(STW),并发地进行标记从 GC Root 开始直接可达的对象(原生栈对象、全局对象、JNI 对象),当达到触发条件时,G1 并不会立即发起并发标记周期,而是等待下一次新生代收集,利用新生代收集的 STW 时间段,完成初始标记,这种方式称为借道(Piggybacking)

阶段 2: 根区域扫描(Root Region Scan)

在初始标记暂停结束后,新生代收集也完成的对象复制到 Survivor 的工作,应用线程开始活跃起来;
此时为了保证标记算法的正确性,所有新复制到 Survivor 分区的对象,需要找出哪些对象存在对老年代对象的引用,把这些对象标记成根(Root);
这个过程称为根分区扫描(Root Region Scanning),同时扫描的 Suvivor 分区也被称为根分区(Root Region);
根分区扫描必须在下一次新生代垃圾收集启动前完成(接下来并发标记的过程中,可能会被若干次新生代垃圾收集打断),因为每次 GC 会产生新的存活对象集合

阶段 3: 并发标记(Concurrent Marking)

标记线程与应用程序线程并行执行,标记各个堆中Region的存活对象信息,这个步骤可能被新的 Young GC 打断
所有的标记任务必须在堆满前就完成扫描,如果并发标记耗时很长,那么有可能在并发标记过程中,又经历了几次新生代收集

阶段 4: 再次标记(Remark)

和CMS类似暂停所有应用线程(STW),以完成标记过程短暂地停止应用线程, 标记在并发标记阶段发生变化的对象,和所有未被标记的存活对象,同时完成存活数据计算

阶段 5: 清理(Cleanup)

为即将到来的转移阶段做准备, 此阶段也为下一次标记执行所有必需的整理计算工作:

整理更新每个Region各自的RSet(remember set,HashMap结构,记录有哪些老年代对象指向本Region,key为指向本Region的对象的引用,value为指向本Region的具体Card区域,通过RSet可以确定Region中对象存活信息,避免全堆扫描)回收不包含存活对象的Region统计计算回收收益高(基于释放空间和暂停目标)的老年代分区集合

5 G1调优注意点

Full GC问题

G1的正常处理流程中没有Full GC,只有在垃圾回收处理不过来(或者主动触发)时才会出现, G1的Full GC就是单线程执行的Serial old gc,会导致非常长的STW,是调优的重点,需要尽量避免Full GC,常见原因如下:

程序主动执行System.gc()全局并发标记期间老年代空间被填满(并发模式失败)Mixed GC期间老年代空间被填满(晋升失败)Young GC时Survivor空间和老年代没有足够空间容纳存活对象

类似CMS,常见的解决是:

增大-XX:ConcGCThreads=n 选项增加并发标记线程的数量,或者STW期间并行线程的数量:-XX:ParallelGCThreads=n减小-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提前启动标记周期增大预留内存 -XX:G1ReservePercent=n ,默认值是10,代表使用10%的堆内存为预留内存,当Survivor区域没有足够空间容纳新晋升对象时会尝试使用预留内存

巨型对象分配

巨型对象区中的每个Region中包含一个巨型对象,剩余空间不再利用,导致空间碎片化,当G1没有合适空间分配巨型对象时,G1会启动串行Full GC来释放空间
可以通过增加 -XX:G1HeapRegionSize来增大Region大小,这样一来,相当一部分的巨型对象就不再是巨型对象了,而是采用普通的分配方式

不要设置Young区的大小

原因是为了尽量满足目标停顿时间,逻辑上的Young区会进行动态调整
如果设置了大小,则会覆盖掉并且会禁用掉对停顿时间的控制

平均响应时间设置

使用应用的平均响应时间作为参考来设置MaxGCPauseMillis,JVM会尽量去满足该条件,可能是90%的请求或者更多的响应时间在这之内, 但是并不代表是所有的请求都能满足,平均响应时间设置过小会导致频繁GC

调优方法与思路

如何分析系统JVM GC运行状况及合理优化?

GC优化的核心思路在于:尽可能让对象在新生代中分配和回收,尽量避免过多对象进入老年代,导致对老年代频繁进行垃圾回收,同时给系统足够的内存减少新生代垃圾回收次数,进行系统分析和优化也是围绕着这个思路展开

1 分析系统的运行状况

系统每秒请求数、每个请求创建多少对象,占用多少内存Young GC触发频率、对象进入老年代的速率老年代占用内存、Full GC触发频率、Full GC触发的原因、长时间Full GC的原因

常用工具如下:

jstat

jvm自带命令行工具,可用于统计内存分配速率、GC次数,GC耗时,常用命令格式

jstat -gc <pid> <统计间隔时间>  <统计次数>

输出返回值代表含义如下:

例如: jstat -gc 32683 1000 10 ,统计pid=32683的进程,每秒统计1次,统计10次

jmap

jvm自带命令行工具,可用于了解系统运行时的对象分布,常用命令格式如下

// 命令行输出类名、类数量数量,类占用内存大小,// 按照类占用内存大小降序排列jmap -histo <pid>// 生成堆内存转储快照,在当前目录下导出dump.hrpof的二进制文件,// 可以用eclipse的MAT图形化工具分析jmap -dump:live,format=b,file=dump.hprof <pid>
jinfo

命令格式

jinfo <pid> 

用来查看正在运行的 Java 应用程序的扩展参数,包括Java System属性和JVM命令行参数

其他GC工具

监控告警系统:Zabbix、Prometheus、Open-Falconjdk自动实时内存监控工具:VisualVM堆外内存监控: Java VisualVM安装Buffer Pools 插件、google perf工具、Java NMT(Native Memory Tracking)工具GC日志分析:GCViewer、gceasyGC参数检查和优化:http://xxfox.perfma.com/

2 GC优化案例

数据分析平台系统频繁Full GC

平台主要对用户在APP中行为进行定时分析统计,并支持报表导出,使用CMS GC算法
数据分析师在使用中发现系统页面打开经常卡顿,通过jstat命令发现系统每次Young GC后大约有10%的存活对象进入老年代

原来是因为Survivor区空间设置过小,每次Young GC后存活对象在Survivor区域放不下,提前进入老年代,通过调大Survivor区,使得Survivor区可以容纳Young GC后存活对象,对象在Survivor区经历多次Young GC达到年龄阈值才进入老年代,调整之后每次Young GC后进入老年代的存活对象稳定运行时仅几百Kb,Full GC频率大大降低

业务对接网关OOM

网关主要消费Kafka数据,进行数据处理计算然后转发到另外的Kafka队列,系统运行几个小时候出现OOM,重启系统几个小时之后又OOM,通过jmap导出堆内存,在eclipse MAT工具分析才找出原因:代码中将某个业务Kafka的topic数据进行日志异步打印,该业务数据量较大,大量对象堆积在内存中等待被打印,导致OOM

账号权限管理系统频繁长时间Full GC

系统对外提供各种账号鉴权服务,使用时发现系统经常服务不可用,通过Zabbix的监控平台监控发现系统频繁发生长时间Full GC,且触发时老年代的堆内存通常并没有占满,发现原来是业务代码中调用了System.gc()

总结

GC问题可以说没有捷径,排查线上的性能问题本身就并不简单,除了将本文介绍到的原理和工具融会贯通,还需要我们不断去积累经验,真正做到性能最优

篇幅所限,不再展开介绍常见GC参数的使用,我发布在github:https://github.com/caison/cai...

参考

《Java Performance: The Definitive Guide》 Scott Oaks

《深入理解 Java 虚拟机:JVM 高级特性与最佳实践(第二版》 周志华

Java性能调优实战

Getting Started with the G1 Garbage Collector

GC参考手册-Java版

请教G1算法的原理——RednaxelaFX的回答

Java Hotspot G1 GC的一些关键技术——美团技术团队

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