【51CTO.com原創(chuàng)稿件】本文介紹 GC 基礎(chǔ)原理和理論，GC 調(diào)優(yōu)方法思路和方法，基于 Hotspot jdk1.8，學(xué)習(xí)之后你將了解如何對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)的 GC 問(wèn)題進(jìn)行排查解決。

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內(nèi)容主要如下：

• GC 基礎(chǔ)原理，涉及調(diào)優(yōu)目標(biāo)，GC 事件分類、JVM 內(nèi)存分配策略、GC 日志分析等。
• CMS 原理及調(diào)優(yōu)。
• G1 原理及調(diào)優(yōu)。
• GC 問(wèn)題排查和解決思路。

GC 基礎(chǔ)原理

GC 調(diào)優(yōu)目標(biāo)

大多數(shù)情況下對(duì) Java 程序進(jìn)行 GC 調(diào)優(yōu)，主要關(guān)注兩個(gè)目標(biāo)：

• 響應(yīng)速度(Responsiveness)：響應(yīng)速度指程序或系統(tǒng)對(duì)一個(gè)請(qǐng)求的響應(yīng)有多迅速。

比如，用戶訂單查詢響應(yīng)時(shí)間，對(duì)響應(yīng)速度要求很高的系統(tǒng)，較大的停頓時(shí)間是不可接受的。調(diào)優(yōu)的重點(diǎn)是在短的時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)。

• 吞吐量(Throughput)：吞吐量關(guān)注在一個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)的最大工作量。

例如每小時(shí)批處理系統(tǒng)能完成的任務(wù)數(shù)量，在吞吐量方面優(yōu)化的系統(tǒng)，較長(zhǎng)的 GC 停頓時(shí)間也是可以接受的，因?yàn)楦咄掏铝繎?yīng)用更關(guān)心的是如何盡可能快地完成整個(gè)任務(wù)，不考慮快速響應(yīng)用戶請(qǐng)求。

GC 調(diào)優(yōu)中，GC 導(dǎo)致的應(yīng)用暫停時(shí)間影響系統(tǒng)響應(yīng)速度，GC 處理線程的 CPU 使用率影響系統(tǒng)吞吐量。

GC 分代收集算法

現(xiàn)代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，其主要思想： 將 Java 的堆內(nèi)存邏輯上分成兩塊：新生代、老年代，針對(duì)不同存活周期、不同大小的對(duì)象采取不同的垃圾回收策略。

 

新生代(Young Generation)

新生代又叫年輕代，大多數(shù)對(duì)象在新生代中被創(chuàng)建，很多對(duì)象的生命周期很短。

每次新生代的垃圾回收(又稱 Young GC、Minor GC、YGC)后只有少量對(duì)象存活，所以使用復(fù)制算法，只需少量的復(fù)制操作成本就可以完成回收。

新生代內(nèi)又分三個(gè)區(qū)：一個(gè) Eden 區(qū)，兩個(gè) Survivor 區(qū)(S0、S1，又稱From Survivor、To Survivor)，大部分對(duì)象在 Eden 區(qū)中生成。

當(dāng) Eden 區(qū)滿時(shí)，還存活的對(duì)象將被復(fù)制到兩個(gè) Survivor 區(qū)(中的一個(gè));當(dāng)這個(gè) Survivor 區(qū)滿時(shí)，此區(qū)的存活且不滿足晉升到老年代條件的對(duì)象將被復(fù)制到另外一個(gè) Survivor 區(qū)。

對(duì)象每經(jīng)歷一次復(fù)制，年齡加 1，達(dá)到晉升年齡閾值后，轉(zhuǎn)移到老年代。

老年代(Old Generation)

在新生代中經(jīng)歷了 N 次垃圾回收后仍然存活的對(duì)象，就會(huì)被放到老年代，該區(qū)域中對(duì)象存活率高。老年代的垃圾回收通常使用“標(biāo)記-整理”算法。

GC 事件分類

根據(jù)垃圾收集回收的區(qū)域不同，垃圾收集主要分為：

• Young GC
• Old GC
• Full GC
• Mixed GC

①Young GC

新生代內(nèi)存的垃圾收集事件稱為 Young GC(又稱 Minor GC)，當(dāng) JVM 無(wú)法為新對(duì)象分配在新生代內(nèi)存空間時(shí)總會(huì)觸發(fā) Young GC。

比如 Eden 區(qū)占滿時(shí)，新對(duì)象分配頻率越高，Young GC 的頻率就越高。

Young GC 每次都會(huì)引起全線停頓(Stop-The-World)，暫停所有的應(yīng)用線程，停頓時(shí)間相對(duì)老年代 GC 造成的停頓，幾乎可以忽略不計(jì)。

②Old GC 、Full GC、Mixed GC

Old GC：只清理老年代空間的 GC 事件，只有 CMS 的并發(fā)收集是這個(gè)模式。

Full GC：清理整個(gè)堆的 GC 事件，包括新生代、老年代、元空間等 。

Mixed GC：清理整個(gè)新生代以及部分老年代的 GC，只有 G1 有這個(gè)模式。

GC 日志分析

GC 日志是一個(gè)很重要的工具，它準(zhǔn)確記錄了每一次的 GC 的執(zhí)行時(shí)間和執(zhí)行結(jié)果，通過(guò)分析 GC 日志可以調(diào)優(yōu)堆設(shè)置和 GC 設(shè)置，或者改進(jìn)應(yīng)用程序的對(duì)象分配模式。

開(kāi)啟的 JVM 啟動(dòng)參數(shù)如下：

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

常見(jiàn)的 Young GC、Full GC 日志含義如下：

 

免費(fèi)的 GC 日志圖形分析工具推薦下面 2 個(gè)：

• GCViewer，下載 jar 包直接運(yùn)行 。
• gceasy，Web 工具，上傳 GC 日志在線使用。

內(nèi)存分配策略

Java 提供的自動(dòng)內(nèi)存管理，可以歸結(jié)為解決了對(duì)象的內(nèi)存分配和回收的問(wèn)題。

前面已經(jīng)介紹了內(nèi)存回收，下面介紹幾條最普遍的內(nèi)存分配策略：

①對(duì)象優(yōu)先在 Eden 區(qū)分配：大多數(shù)情況下，對(duì)象在先新生代 Eden 區(qū)中分配。當(dāng) Eden 區(qū)沒(méi)有足夠空間進(jìn)行分配時(shí)，虛擬機(jī)將發(fā)起一次 Young GC。

②大對(duì)象之間進(jìn)入老年代：JVM 提供了一個(gè)對(duì)象大小閾值參數(shù)(-XX:PretenureSizeThreshold，默認(rèn)值為 0，代表不管多大都是先在 Eden 中分配內(nèi)存)。

大于參數(shù)設(shè)置的閾值值的對(duì)象直接在老年代分配，這樣可以避免對(duì)象在 Eden 及兩個(gè) Survivor 直接發(fā)生大內(nèi)存復(fù)制。

③長(zhǎng)期存活的對(duì)象將進(jìn)入老年代：對(duì)象每經(jīng)歷一次垃圾回收，且沒(méi)被回收掉，它的年齡就增加 1，大于年齡閾值參數(shù)(-XX:MaxTenuringThreshold，默認(rèn) 15)的對(duì)象，將晉升到老年代中。

④空間分配擔(dān)保：當(dāng)進(jìn)行 Young GC 之前，JVM 需要預(yù)估：老年代是否能夠容納 Young GC 后新生代晉升到老年代的存活對(duì)象，以確定是否需要提前觸發(fā) GC 回收老年代空間，基于空間分配擔(dān)保策略來(lái)計(jì)算。

continueSize，老年代最大可用連續(xù)空間：

 

Young GC 之后如果成功(Young GC 后晉升對(duì)象能放入老年代)，則代表?yè)?dān)保成功，不用再進(jìn)行 Full GC，提高性能。

如果失敗，則會(huì)出現(xiàn)“promotion failed”錯(cuò)誤，代表?yè)?dān)保失敗，需要進(jìn)行 Full GC。

⑤動(dòng)態(tài)年齡判定：新生代對(duì)象的年齡可能沒(méi)達(dá)到閾值(MaxTenuringThreshold 參數(shù)指定)就晉升老年代。

如果 Young GC 之后，新生代存活對(duì)象達(dá)到相同年齡所有對(duì)象大小的總和大于任意 Survivor 空間(S0+S1空間)的一半，此時(shí) S0 或者 S1 區(qū)即將容納不了存活的新生代對(duì)象。

年齡大于或等于該年齡的對(duì)象就可以直接進(jìn)入老年代，無(wú)須等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年齡。

另外，如果 Young GC 后 S0 或 S1 區(qū)不足以容納：未達(dá)到晉升老年代條件的新生代存活對(duì)象，會(huì)導(dǎo)致這些存活對(duì)象直接進(jìn)入老年代，需要盡量避免。

CMS 原理及調(diào)優(yōu)

名詞解釋

可達(dá)性分析算法：用于判斷對(duì)象是否存活，基本思想是通過(guò)一系列稱為“GC Root”的對(duì)象作為起點(diǎn)(常見(jiàn)的 GC Root 有系統(tǒng)類加載器、棧中的對(duì)象、處于激活狀態(tài)的線程等)，基于對(duì)象引用關(guān)系，從 GC Roots 開(kāi)始向下搜索，所走過(guò)的路徑稱為引用鏈，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到 GC Root 沒(méi)有任何引用鏈相連，證明對(duì)象不再存活。

Stop The World：GC 過(guò)程中分析對(duì)象引用關(guān)系，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要通過(guò)停頓所有 Java 執(zhí)行線程，保證引用關(guān)系不再動(dòng)態(tài)變化，該停頓事件稱為 Stop The World(STW)。

Safepoint：代碼執(zhí)行過(guò)程中的一些特殊位置，當(dāng)線程執(zhí)行到這些位置的時(shí)候，說(shuō)明虛擬機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)是安全的，如果有需要 GC，線程可以在這個(gè)位置暫停。

HotSpot 采用主動(dòng)中斷的方式，讓執(zhí)行線程在運(yùn)行期輪詢是否需要暫停的標(biāo)志，若需要?jiǎng)t中斷掛起。

CMS 簡(jiǎn)介

CMS(Concurrent Mark and Sweep 并發(fā)-標(biāo)記-清除)，是一款基于并發(fā)、使用標(biāo)記清除算法的垃圾回收算法，只針對(duì)老年代進(jìn)行垃圾回收。

CMS 收集器工作時(shí)，盡可能讓 GC 線程和用戶線程并發(fā)執(zhí)行，以達(dá)到降低 STW 時(shí)間的目的。

通過(guò)以下命令行參數(shù)，啟用 CMS 垃圾收集器：

-XX:+UseConcMarkSweepGC 

值得補(bǔ)充的是，下面介紹到的 CMS GC 是指老年代的 GC，而 Full GC 指的是整個(gè)堆的 GC 事件，包括新生代、老年代、元空間等，兩者有所區(qū)分。

新生代垃圾回收

能與 CMS 搭配使用的新生代垃圾收集器有 Serial 收集器和 ParNew 收集器。

這 2 個(gè)收集器都采用標(biāo)記復(fù)制算法，都會(huì)觸發(fā) STW 事件，停止所有的應(yīng)用線程。不同之處在于，Serial 是單線程執(zhí)行，ParNew 是多線程執(zhí)行。

老年代垃圾回收

 

CMS GC 以獲取最小停頓時(shí)間為目的，盡可能減少 STW 時(shí)間，可以分為 7 個(gè)階段：

階段 1：初始標(biāo)記(Initial Mark)

 

此階段的目標(biāo)是標(biāo)記老年代中所有存活的對(duì)象, 包括 GC Root 的直接引用, 以及由新生代中存活對(duì)象所引用的對(duì)象，觸發(fā)第一次 STW 事件。

這個(gè)過(guò)程是支持多線程的(JDK7 之前單線程，JDK8 之后并行，可通過(guò)參數(shù) CMSParallelInitialMarkEnabled 調(diào)整)。

階段 2：并發(fā)標(biāo)記(Concurrent Mark)

 

此階段 GC 線程和應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行，遍歷階段 1 初始標(biāo)記出來(lái)的存活對(duì)象，然后繼續(xù)遞歸標(biāo)記這些對(duì)象可達(dá)的對(duì)象。

階段 3：并發(fā)預(yù)清理(Concurrent Preclean)

 

此階段 GC 線程和應(yīng)用線程也是并發(fā)執(zhí)行，因?yàn)殡A段 2 是與應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行，可能有些引用關(guān)系已經(jīng)發(fā)生改變。

通過(guò)卡片標(biāo)記(Card Marking)，提前把老年代空間邏輯劃分為相等大小的區(qū)域(Card)。

如果引用關(guān)系發(fā)生改變，JVM 會(huì)將發(fā)生改變的區(qū)域標(biāo)記為“臟區(qū)”(Dirty Card)，然后在本階段，這些臟區(qū)會(huì)被找出來(lái)，刷新引用關(guān)系，清除“臟區(qū)”標(biāo)記。

階段 4：并發(fā)可取消的預(yù)清理(Concurrent Abortable Preclean)

此階段也不停止應(yīng)用線程。本階段嘗試在 STW 的最終標(biāo)記階段(Final Remark)之前盡可能地多做一些工作，以減少應(yīng)用暫停時(shí)間。

在該階段不斷循環(huán)處理：標(biāo)記老年代的可達(dá)對(duì)象、掃描處理 Dirty Card 區(qū)域中的對(duì)象，循環(huán)的終止條件有：

• 達(dá)到循環(huán)次數(shù)
• 達(dá)到循環(huán)執(zhí)行時(shí)間閾值
• 新生代內(nèi)存使用率達(dá)到閾值

階段 5：最終標(biāo)記(Final Remark)

這是 GC 事件中第二次(也是最后一次)STW 階段，目標(biāo)是完成老年代中所有存活對(duì)象的標(biāo)記。

在此階段執(zhí)行：

• 遍歷新生代對(duì)象，重新標(biāo)記
• 根據(jù) GC Roots，重新標(biāo)記
• 遍歷老年代的 Dirty Card，重新標(biāo)記

階段 6：并發(fā)清除(Concurrent Sweep)

 

此階段與應(yīng)用程序并發(fā)執(zhí)行，不需要 STW 停頓，根據(jù)標(biāo)記結(jié)果清除垃圾對(duì)象。

階段 7：并發(fā)重置(Concurrent Reset)

此階段與應(yīng)用程序并發(fā)執(zhí)行，重置 CMS 算法相關(guān)的內(nèi)部數(shù)據(jù), 為下一次 GC 循環(huán)做準(zhǔn)備。

CMS 常見(jiàn)問(wèn)題

①最終標(biāo)記階段停頓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題

CMS 的 GC 停頓時(shí)間約 80% 都在最終標(biāo)記階段(Final Remark)，若該階段停頓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，常見(jiàn)原因是新生代對(duì)老年代的無(wú)效引用，在上一階段的并發(fā)可取消預(yù)清理階段中，執(zhí)行閾值時(shí)間內(nèi)未完成循環(huán)，來(lái)不及觸發(fā) Young GC，清理這些無(wú)效引用。

通過(guò)添加參數(shù)：-XX:+CMSScavengeBeforeRemark。

在執(zhí)行最終操作之前先觸發(fā) Young GC，從而減少新生代對(duì)老年代的無(wú)效引用，降低最終標(biāo)記階段的停頓。

但如果在上個(gè)階段(并發(fā)可取消的預(yù)清理)已觸發(fā) Young GC，也會(huì)重復(fù)觸發(fā) Young GC。

②并發(fā)模式失敗(concurrent mode failure)&晉升失敗(promotion failed)問(wèn)題。

并發(fā)模式失敗：當(dāng) CMS 在執(zhí)行回收時(shí)，新生代發(fā)生垃圾回收，同時(shí)老年代又沒(méi)有足夠的空間容納晉升的對(duì)象時(shí)，CMS 垃圾回收就會(huì)退化成單線程的 Full GC。所有的應(yīng)用線程都會(huì)被暫停，老年代中所有的無(wú)效對(duì)象都被回收。

 

晉升失敗：當(dāng)新生代發(fā)生垃圾回收，老年代有足夠的空間可以容納晉升的對(duì)象，但是由于空閑空間的碎片化，導(dǎo)致晉升失敗，此時(shí)會(huì)觸發(fā)單線程且?guī)嚎s動(dòng)作的 Full GC。

并發(fā)模式失敗和晉升失敗都會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的停頓，常見(jiàn)解決思路如下：

• 降低觸發(fā) CMS GC 的閾值。
• 即參數(shù) -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 的值，讓 CMS GC 盡早執(zhí)行，以保證有足夠的空間。
• 增加 CMS 線程數(shù)，即參數(shù) -XX:ConcGCThreads。
• 增大老年代空間。
• 讓對(duì)象盡量在新生代回收，避免進(jìn)入老年代。

③內(nèi)存碎片問(wèn)題

通常 CMS 的 GC 過(guò)程基于標(biāo)記清除算法，不帶壓縮動(dòng)作，導(dǎo)致越來(lái)越多的內(nèi)存碎片需要壓縮。

常見(jiàn)以下場(chǎng)景會(huì)觸發(fā)內(nèi)存碎片壓縮：

• 新生代 Young GC 出現(xiàn)新生代晉升擔(dān)保失敗(promotion failed))
• 程序主動(dòng)執(zhí)行System.gc()

可通過(guò)參數(shù) CMSFullGCsBeforeCompaction 的值，設(shè)置多少次 Full GC 觸發(fā)一次壓縮。

默認(rèn)值為 0，代表每次進(jìn)入 Full GC 都會(huì)觸發(fā)壓縮，帶壓縮動(dòng)作的算法為上面提到的單線程 Serial Old 算法，暫停時(shí)間(STW)時(shí)間非常長(zhǎng)，需要盡可能減少壓縮時(shí)間。

G1 原理及調(diào)優(yōu)

G1 簡(jiǎn)介

G1(Garbage-First)是一款面向服務(wù)器的垃圾收集器，支持新生代和老年代空間的垃圾收集，主要針對(duì)配備多核處理器及大容量?jī)?nèi)存的機(jī)器。

G1 最主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)可預(yù)期及可配置的 STW 停頓時(shí)間。

G1 堆空間劃分

 

①Region

為實(shí)現(xiàn)大內(nèi)存空間的低停頓時(shí)間的回收，將劃分為多個(gè)大小相等的 Region。每個(gè)小堆區(qū)都可能是 Eden 區(qū)，Survivor 區(qū)或者 Old 區(qū)，但是在同一時(shí)刻只能屬于某個(gè)代。

在邏輯上, 所有的 Eden 區(qū)和 Survivor 區(qū)合起來(lái)就是新生代，所有的 Old 區(qū)合起來(lái)就是老年代，且新生代和老年代各自的內(nèi)存 Region 區(qū)域由 G1 自動(dòng)控制，不斷變動(dòng)。

②巨型對(duì)象

當(dāng)對(duì)象大小超過(guò) Region 的一半，則認(rèn)為是巨型對(duì)象(Humongous Object)，直接被分配到老年代的巨型對(duì)象區(qū)(Humongous Regions)。

這些巨型區(qū)域是一個(gè)連續(xù)的區(qū)域集，每一個(gè) Region 中最多有一個(gè)巨型對(duì)象，巨型對(duì)象可以占多個(gè) Region。

G1 把堆內(nèi)存劃分成一個(gè)個(gè) Region 的意義在于：

• 每次 GC 不必都去處理整個(gè)堆空間，而是每次只處理一部分 Region，實(shí)現(xiàn)大容量?jī)?nèi)存的 GC。
• 通過(guò)計(jì)算每個(gè) Region 的回收價(jià)值，包括回收所需時(shí)間、可回收空間，在有限時(shí)間內(nèi)盡可能回收更多的垃圾對(duì)象，把垃圾回收造成的停頓時(shí)間控制在預(yù)期配置的時(shí)間范圍內(nèi)，這也是 G1 名稱的由來(lái)：Garbage-First。

G1工作模式

針對(duì)新生代和老年代，G1 提供 2 種 GC 模式，Young GC 和 Mixed GC，兩種會(huì)導(dǎo)致 Stop The World。

Young GC：當(dāng)新生代的空間不足時(shí)，G1 觸發(fā) Young GC 回收新生代空間。

Young GC 主要是對(duì) Eden 區(qū)進(jìn)行 GC，它在 Eden 空間耗盡時(shí)觸發(fā)，基于分代回收思想和復(fù)制算法，每次 Young GC 都會(huì)選定所有新生代的 Region。

同時(shí)計(jì)算下次 Young GC 所需的 Eden 區(qū)和 Survivor 區(qū)的空間，動(dòng)態(tài)調(diào)整新生代所占 Region 個(gè)數(shù)來(lái)控制 Young GC 開(kāi)銷。

Mixed GC：當(dāng)老年代空間達(dá)到閾值會(huì)觸發(fā) Mixed GC，選定所有新生代里的 Region，根據(jù)全局并發(fā)標(biāo)記階段(下面介紹到)統(tǒng)計(jì)得出收集收益高的若干老年代 Region。

在用戶指定的開(kāi)銷目標(biāo)范圍內(nèi)，盡可能選擇收益高的老年代 Region 進(jìn)行 GC，通過(guò)選擇哪些老年代 Region 和選擇多少 Region 來(lái)控制 Mixed GC 開(kāi)銷。

全局并發(fā)標(biāo)記

 

全局并發(fā)標(biāo)記主要是為 Mixed GC 計(jì)算找出回收收益較高的 Region 區(qū)域，具體分為 5 個(gè)階段：

階段 1：初始標(biāo)記(Initial Mark)

暫停所有應(yīng)用線程(STW)，并發(fā)地進(jìn)行標(biāo)記從 GC Root 開(kāi)始直接可達(dá)的對(duì)象(原生棧對(duì)象、全局對(duì)象、JNI 對(duì)象)。

當(dāng)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，G1 并不會(huì)立即發(fā)起并發(fā)標(biāo)記周期，而是等待下一次新生代收集，利用新生代收集的 STW 時(shí)間段，完成初始標(biāo)記，這種方式稱為借道(Piggybacking)。

階段 2：根區(qū)域掃描(Root Region Scan)

在初始標(biāo)記暫停結(jié)束后，新生代收集也完成的對(duì)象復(fù)制到 Survivor 的工作，應(yīng)用線程開(kāi)始活躍起來(lái)。

此時(shí)為了保證標(biāo)記算法的正確性，所有新復(fù)制到 Survivor 分區(qū)的對(duì)象，需要找出哪些對(duì)象存在對(duì)老年代對(duì)象的引用，把這些對(duì)象標(biāo)記成根(Root)。

這個(gè)過(guò)程稱為根分區(qū)掃描(Root Region Scanning)，同時(shí)掃描的 Suvivor 分區(qū)也被稱為根分區(qū)(Root Region)。

根分區(qū)掃描必須在下一次新生代垃圾收集啟動(dòng)前完成(接下來(lái)并發(fā)標(biāo)記的過(guò)程中，可能會(huì)被若干次新生代垃圾收集打斷)，因?yàn)槊看?GC 會(huì)產(chǎn)生新的存活對(duì)象集合。

階段 3：并發(fā)標(biāo)記(Concurrent Marking)

標(biāo)記線程與應(yīng)用程序線程并行執(zhí)行，標(biāo)記各個(gè)堆中 Region 的存活對(duì)象信息，這個(gè)步驟可能被新的 Young GC 打斷。

所有的標(biāo)記任務(wù)必須在堆滿前就完成掃描，如果并發(fā)標(biāo)記耗時(shí)很長(zhǎng)，那么有可能在并發(fā)標(biāo)記過(guò)程中，又經(jīng)歷了幾次新生代收集。

階段 4：再次標(biāo)記(Remark)

和 CMS 類似暫停所有應(yīng)用線程(STW)，以完成標(biāo)記過(guò)程短暫地停止應(yīng)用線程, 標(biāo)記在并發(fā)標(biāo)記階段發(fā)生變化的對(duì)象，和所有未被標(biāo)記的存活對(duì)象，同時(shí)完成存活數(shù)據(jù)計(jì)算。

階段 5：清理(Cleanup)

為即將到來(lái)的轉(zhuǎn)移階段做準(zhǔn)備, 此階段也為下一次標(biāo)記執(zhí)行所有必需的整理計(jì)算工作：

• 整理更新每個(gè) Region 各自的 RSet(Remember Set，HashMap 結(jié)構(gòu)，記錄有哪些老年代對(duì)象指向本 Region，key 為指向本 Region 的對(duì)象的引用，value 為指向本 Region 的具體 Card 區(qū)域，通過(guò) RSet 可以確定 Region 中對(duì)象存活信息，避免全堆掃描)。
• 回收不包含存活對(duì)象的 Region。
• 統(tǒng)計(jì)計(jì)算回收收益高(基于釋放空間和暫停目標(biāo))的老年代分區(qū)集合。

G1調(diào)優(yōu)注意點(diǎn)

①Full GC 問(wèn)題

G1 的正常處理流程中沒(méi)有 Full GC，只有在垃圾回收處理不過(guò)來(lái)(或者主動(dòng)觸發(fā))時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，G1 的 Full GC 就是單線程執(zhí)行的 Serial old gc，會(huì)導(dǎo)致非常長(zhǎng)的 STW，是調(diào)優(yōu)的重點(diǎn)，需要盡量避免 Full GC。

常見(jiàn)原因如下：

• 程序主動(dòng)執(zhí)行 System.gc()
• 全局并發(fā)標(biāo)記期間老年代空間被填滿(并發(fā)模式失敗)
• Mixed GC 期間老年代空間被填滿(晉升失敗)
• Young GC 時(shí) Survivor 空間和老年代沒(méi)有足夠空間容納存活對(duì)象

類似 CMS，常見(jiàn)的解決是：

• 增大 -XX:ConcGCThreads=n 選項(xiàng)增加并發(fā)標(biāo)記線程的數(shù)量，或者 STW 期間并行線程的數(shù)量：-XX:ParallelGCThreads=n。
• 減小 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提前啟動(dòng)標(biāo)記周期。
• 增大預(yù)留內(nèi)存 -XX:G1ReservePercent=n，默認(rèn)值是 10，代表使用 10% 的堆內(nèi)存為預(yù)留內(nèi)存，當(dāng) Survivor 區(qū)域沒(méi)有足夠空間容納新晉升對(duì)象時(shí)會(huì)嘗試使用預(yù)留內(nèi)存。

②巨型對(duì)象分配

巨型對(duì)象區(qū)中的每個(gè) Region 中包含一個(gè)巨型對(duì)象，剩余空間不再利用，導(dǎo)致空間碎片化，當(dāng) G1 沒(méi)有合適空間分配巨型對(duì)象時(shí)，G1 會(huì)啟動(dòng)串行 Full GC 來(lái)釋放空間。

可以通過(guò)增加 -XX:G1HeapRegionSize 來(lái)增大 Region 大小，這樣一來(lái)，相當(dāng)一部分的巨型對(duì)象就不再是巨型對(duì)象了，而是采用普通的分配方式。

③不要設(shè)置 Young 區(qū)的大小

原因是為了盡量滿足目標(biāo)停頓時(shí)間，邏輯上的 Young 區(qū)會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。如果設(shè)置了大小，則會(huì)覆蓋掉并且會(huì)禁用掉對(duì)停頓時(shí)間的控制。

④平均響應(yīng)時(shí)間設(shè)置

使用應(yīng)用的平均響應(yīng)時(shí)間作為參考來(lái)設(shè)置 MaxGCPauseMillis，JVM 會(huì)盡量去滿足該條件，可能是 90% 的請(qǐng)求或者更多的響應(yīng)時(shí)間在這之內(nèi)， 但是并不代表是所有的請(qǐng)求都能滿足，平均響應(yīng)時(shí)間設(shè)置過(guò)小會(huì)導(dǎo)致頻繁 GC。

調(diào)優(yōu)方法與思路

如何分析系統(tǒng) JVM GC 運(yùn)行狀況及合理優(yōu)化?

GC 優(yōu)化的核心思路在于：盡可能讓對(duì)象在新生代中分配和回收，盡量避免過(guò)多對(duì)象進(jìn)入老年代，導(dǎo)致對(duì)老年代頻繁進(jìn)行垃圾回收，同時(shí)給系統(tǒng)足夠的內(nèi)存減少新生代垃圾回收次數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析和優(yōu)化也是圍繞著這個(gè)思路展開(kāi)。

分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀況

分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀況：

• 系統(tǒng)每秒請(qǐng)求數(shù)、每個(gè)請(qǐng)求創(chuàng)建多少對(duì)象，占用多少內(nèi)存。
• Young GC 觸發(fā)頻率、對(duì)象進(jìn)入老年代的速率。
• 老年代占用內(nèi)存、Full GC 觸發(fā)頻率、Full GC 觸發(fā)的原因、長(zhǎng)時(shí)間 Full GC 的原因。

常用工具如下：

jstat：JVM 自帶命令行工具，可用于統(tǒng)計(jì)內(nèi)存分配速率、GC 次數(shù)，GC 耗時(shí)。

常用命令格式：

jstat -gc <pid> <統(tǒng)計(jì)間隔時(shí)間>  <統(tǒng)計(jì)次數(shù)> 

輸出返回值代表含義如下：

 

例如：jstat -gc 32683 1000 10，統(tǒng)計(jì) pid=32683 的進(jìn)程，每秒統(tǒng)計(jì) 1 次，統(tǒng)計(jì) 10 次。

jmap：JVM 自帶命令行工具，可用于了解系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的對(duì)象分布。

常用命令格式如下：

// 命令行輸出類名、類數(shù)量數(shù)量，類占用內(nèi)存大小， 
// 按照類占用內(nèi)存大小降序排列 
jmap -histo <pid> 
 
// 生成堆內(nèi)存轉(zhuǎn)儲(chǔ)快照，在當(dāng)前目錄下導(dǎo)出dump.hrpof的二進(jìn)制文件， 
// 可以用eclipse的MAT圖形化工具分析 
jmap -dump:live,format=b,file=dump.hprof <pid> 

jinfo，命令格式： 

jinfo <pid>  

用來(lái)查看正在運(yùn)行的 Java 應(yīng)用程序的擴(kuò)展參數(shù)，包括 Java System 屬性和 JVM 命令行參數(shù)。

其他 GC 工具：

• 監(jiān)控告警系統(tǒng)：Zabbix、Prometheus、Open-Falcon
• jdk 自動(dòng)實(shí)時(shí)內(nèi)存監(jiān)控工具：VisualVM
• 堆外內(nèi)存監(jiān)控：Java VisualVM 安裝 Buffer Pools 插件、google perf工具、Java NMT(Native Memory Tracking)工具
• GC 日志分析：GCViewer、gceasy
• GC 參數(shù)檢查和優(yōu)化：http://xxfox.perfma.com/

GC 優(yōu)化案例

①數(shù)據(jù)分析平臺(tái)系統(tǒng)頻繁 Full GC

平臺(tái)主要對(duì)用戶在 App 中行為進(jìn)行定時(shí)分析統(tǒng)計(jì)，并支持報(bào)表導(dǎo)出，使用 CMS GC 算法。

數(shù)據(jù)分析師在使用中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頁(yè)面打開(kāi)經(jīng)?？D，通過(guò) jstat 命令發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)每次 Young GC 后大約有 10% 的存活對(duì)象進(jìn)入老年代。

原來(lái)是因?yàn)?Survivor 區(qū)空間設(shè)置過(guò)小，每次 Young GC 后存活對(duì)象在 Survivor 區(qū)域放不下，提前進(jìn)入老年代。

通過(guò)調(diào)大 Survivor 區(qū)，使得 Survivor 區(qū)可以容納 Young GC 后存活對(duì)象，對(duì)象在 Survivor 區(qū)經(jīng)歷多次 Young GC 達(dá)到年齡閾值才進(jìn)入老年代。

調(diào)整之后每次 Young GC 后進(jìn)入老年代的存活對(duì)象穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)僅幾百 Kb，F(xiàn)ull GC 頻率大大降低。

②業(yè)務(wù)對(duì)接網(wǎng)關(guān) OOM

網(wǎng)關(guān)主要消費(fèi) Kafka 數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算然后轉(zhuǎn)發(fā)到另外的 Kafka 隊(duì)列，系統(tǒng)運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)候出現(xiàn) OOM，重啟系統(tǒng)幾個(gè)小時(shí)之后又 OOM。

通過(guò) jmap 導(dǎo)出堆內(nèi)存，在 eclipse MAT 工具分析才找出原因：代碼中將某個(gè)業(yè)務(wù) Kafka 的 topic 數(shù)據(jù)進(jìn)行日志異步打印，該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較大，大量對(duì)象堆積在內(nèi)存中等待被打印，導(dǎo)致 OOM。

③賬號(hào)權(quán)限管理系統(tǒng)頻繁長(zhǎng)時(shí)間 Full GC

系統(tǒng)對(duì)外提供各種賬號(hào)鑒權(quán)服務(wù)，使用時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)常服務(wù)不可用，通過(guò) Zabbix 的監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頻繁發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間 Full GC，且觸發(fā)時(shí)老年代的堆內(nèi)存通常并沒(méi)有占滿，發(fā)現(xiàn)原來(lái)是業(yè)務(wù)代碼中調(diào)用了 System.gc()。

總結(jié)

GC 問(wèn)題可以說(shuō)沒(méi)有捷徑，排查線上的性能問(wèn)題本身就并不簡(jiǎn)單，除了將本文介紹到的原理和工具融會(huì)貫通，還需要我們不斷去積累經(jīng)驗(yàn)，真正做到性能最優(yōu)。

篇幅所限，不再展開(kāi)介紹常見(jiàn) GC 參數(shù)的使用，我發(fā)布在 GitHub：

https://github.com/caison/caison-blog-demo 

參考：

• 《Java Performance: The Definitive Guide》 Scott Oaks
• 《深入理解 Java 虛擬機(jī)：JVM 高級(jí)特性與最佳實(shí)踐(第二版》 周志華
• Java 性能調(diào)優(yōu)實(shí)戰(zhàn)
• Getting Started with the G1 Garbage Collector
• GC 參考手冊(cè)-Java 版
• 請(qǐng)教 G1 算法的原理——RednaxelaFX 的回答
• Java Hotspot G1 GC 的一些關(guān)鍵技術(shù)——美團(tuán)技術(shù)團(tuán)隊(duì)

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