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jvm層gc調優

阿新 • • 發佈：2018-11-26

jvm的記憶體結構

java 8 jvm官方文件
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html

執行時資料區

官方文件：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5
執行時資料區有：方法區、虛擬機器棧、本地方法棧、堆、程式計數器

計數器pc register

jvm支援多執行緒同時執行，每一個執行緒都有自己的pc register，執行緒正在執行的方法叫做當前方法，如果是java程式碼pc register裡面存放的就是當前正在執行的指令的地址，如果是c程式碼，則為空

虛擬機器棧jvm stacks

java虛擬機器棧（java virtual machine stacks）是執行緒私有的，它的生命週期與執行緒相同。虛擬機器棧描述的是java方法執行的記憶體模型；每隔方法在執行的同事都會建立一個棧幀，用於儲存區域性變量表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊，每一個方法從呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器中入棧到出棧的過程。

堆heap

java堆是java虛擬機器所管理的記憶體中最大的一塊。堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，在虛擬機器啟動時穿件。此記憶體區域的唯一目的就是存放物件例項，幾乎所有的物件例項都在這裡分配記憶體。java堆可以處於物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的就可以。

方法區Method Area

方法區域java堆一樣，是哥哥執行緒共享的記憶體區域，它用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。雖然java虛擬機器規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻又一個別名叫做non-heap（非堆），目的是與java堆區分開來。

常量池 run-time constant pool

執行時常量池是方法區的一部分。class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池（constant pool table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後進入方法區的執行時常量池中存放。

本地方法棧native method stacks

本地方法棧與虛擬機器棧所發揮的作用是非常相似的，他們之間的區別不過是虛擬機器棧為虛擬機器執行java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則為用虛擬機器使用到的native方法服務。

堆區

堆區分為老年代old和新生代（Young），新生代又分為eden和s0和s1區。

非堆區

metaspace=class、package、method、field、位元組碼、常量池、符號引用等。

css：32位指標的class

通過新增虛擬機器引數：+UseCompressedClassPointers使用ccs，通過：jstat -gc pid檢視CCS

codecache：JIT編譯後的原生代碼、JNI使用的C程式碼

關於一些名詞的解釋

常用引數

-Xms -Xmx
-XX:NewSize -XX:MaxNewSize
-XX:NewSize -XX:MaxNewSize
-XX:NewRatio -XX:SurvivorRatio
-XX:MetaspaceSize -XX:MaxMetaspaceSize
-XX:+UseCompressedClassPointers
-XX:CompressedClassSpaceSize
-XX:InitialCodeCacheSize
-XX:ReservedCodeCacheSize

垃圾回收演算法

思想

列舉根節點，做可達性分析

根節點

類載入器、Thread、虛擬機器棧的本地變量表、static成員、常量引用、本地方法棧的變數等等

標記清除

演算法

演算法分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記處所有需要回收的物件，在標記完成後統一回收所有

缺點

效率不高。標記和清除兩個過程的效率都不高。產生碎片。碎片太多會導致提前GC

複製演算法

它將可用記憶體按容量分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，當這一塊的記憶體用完了，就將還存活的物件複製到另外一塊上面，然後再把已使用過的記憶體空間一次清理掉。

優缺點

實現簡單。執行高效，但是空間利用率低。

標記整理

演算法

標記過程仍然與“標記-清除”演算法一樣，但後續步驟不是直接對可回收物件進行清理，而是讓所有存活的物件都向一端移動，然後直接清理掉端以外的記憶體

優缺點

沒有了記憶體碎片，但是整理記憶體比較耗時

分代回收演算法

Young區用複製演算法
Old區用標記清除或者標記整理

物件分配

物件優先在Eden區分配
大物件直接進入老年代：-XX:PretenureSizeThreshold
長期存活物件進入老年代：-XX:MaxTenuringThreshold -XX:+PrintTenuringDistribution -XX:TargetSurvivorRatio

垃圾收集器

知乎上優秀的回答：https://www.zhihu.com/question/35164211

垃圾收集器

序列收集器Serial：Serial、Serial Old
並行收集器Parallel：Parallel Scavenge、Parallel Old，吞吐量
併發收集器Concurrent：CMS、G1、停頓時間

並行vs併發

並行（Parallel）：指多條垃圾收集執行緒並行工作，但此時使用者執行緒仍然處於等待狀態。適合科學計算、後臺處理等弱互動場景
併發（Concurrent）：指使用者執行緒與垃圾收集執行緒同時執行（但不一定是並行的，可能會交替執行），垃圾收集執行緒在執行的時候不會停頓使用者程式的執行。適合對響應時間有要求的場景，比如web。

停頓時間vs吞吐量

停頓時間：垃圾收集器做垃圾回收中斷應用程式執行時間。-XX:MaxGCPauseMillis
吞吐量：花在垃圾收集的時候和花在應用時間的佔比 .
XX:GCTimeRatio=，垃圾收集的時間佔比：1/1+n

並行收集器

吞吐量優先
-XX:+UseParallelGC,-XX:+UseParallelOldGC
Server模式下的預設收集器
檢視：jinfo -flag UseParallelOldGC pid

並行收集器

響應時間優先
CMS:XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
G1:-XX:+UseG1GC
檢視：jinfo -flag UseConcMarkSweepGC pid

垃圾收集器搭配

在這裡插入圖片描述
可以從老年代記起：SerialOld最厲害，可以搭配所有的新生代收集器；
ParallelOld只能搭配Parallel新生代的，也就是Parallel Scavenge；
CMS 只能搭配Serial和ParNew；
最後G1只能自己和自己玩。

如何選擇垃圾收集器

優先調整堆的大小讓伺服器自己來選擇
如果記憶體小於100M，使用序列收集器
如果是單核，並且沒有時間停頓的要求，序列或者讓jvm自己選
如果允許停頓時間操作1秒，選擇並行或者讓jvm自己選
如果響應時間最重要，並且不能操作1秒，使用併發收集器

GC調優指南：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/toc.html
如何選擇垃圾收集器：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/collectors.html

Parallel Collector

-XX:+UseParallelGC 手動開啟，Server預設開啟
-XX:ParallelGCThreads= 多少個GC執行緒
CPU>8 N=5/8
CPU< 8 N=CPU
-XX:MaxGCPauseMillis=
-XX:GCTimeRatio=
-Xmx

動態記憶體調整

-XX:YoungGenerationSizeIncrement=也就是每次gc之後發現之前的記憶體不夠，那麼就會動態增加記憶體
-XX:TenuredGenerationSizeIncrement=
-XX:AdaptiveSizeDecrementScaleFactor=

CMS Collector

特點

併發收集
低停頓 低延時
老年代收集器

CMS垃圾收集過程

1、CMS initial mark：初始標記root，STW
2、CMS concurrent mark：併發標記
3、CMS-concurrent-preclean：併發預清理
4、CMS remark：重新標記，STW
5、CMS concurrent sweep：併發清除
6、CMS-concurrent-reset：併發重置

CMS的特點

CPU敏感
浮動垃圾
空間碎片

CMS的相關引數

-XX:ConcGCThreads:併發的GC執行緒數
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之後做壓縮
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次FullGC之後壓縮一次
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：觸發FullGC
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：是否動態調整
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark：FullGC之前先做YGC
-XX:+CMSClassUnloadingEnabled：啟用回收Perm區

iCMS

使用於單核或者雙核

G1 Collector

G1垃圾收集器介紹：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22591838

簡介：

The first focus of G1 is to provide a solution for users running applications that require large heaps with limited GC latency.This means heap sizes of around 6GB or larger,and a stable and predictable pause time below 0.5 senconds.

G1屬於新生代和老生代收集器

G1的幾個概念

Region
SATB:Snapshot-At-The-Beginning，它是通過Root Tracing得到的，GC開始時候存活物件的快照。
RSet：記錄了其他Region中的物件引用本Region中物件的關係，屬於points-into結構（誰引用了我的物件）

YoungGC

新物件進入Eden區
存活物件拷貝到Survivor區
存活時間達到年齡閾值是，物件晉升到Old區

MixedGC

不是FullGC，回收所有的Young和部分Old
global concurrent marking

global concurrent marking

1、initial marking phase：標記GC Root，STW
2、Root region scanning phase：標記存活Region
3、Concurrent marking phase：標記存活的物件
4、Remark phase：重新標記，STW
5、Cleanup phase：部分STW

MixedGC時機

initiationHeapOccupancyPercent：堆佔有率達到這個數值則觸發global concurrent marking，預設45%
G1HeapWastePercent：在global concurrent marking結束之後，可以知道區有多少空間要被回收，在每次YGC之後和再次發生Mixed GC之前，會檢查垃圾佔比是否達到此引數，只有達到了，下次才會發生Mixed GC

MixedGC相關引數

G1MixedGCLiveThresholdPercent：Old 區的region被回收時候的存活物件佔比
G1MixedGCCountTarget：
一次global concurrent marking之後，最多執行Mixed GC的次數
G1OldCSetRegionThresholdPercent：一次Mixed GC中能被選入CSet的最多old區的region數量

常用引數

-XX:+UseG1GC 開啟G1
-XX:G1HeapRegionSize=n，region的大小，1~32M，2048個
-XX:MaxGCPauseMilles=200最大停頓時間
-XX:G1NewSizePercent，-XX:G1MaxNewSizePercent
-XX:G1ReservePercent=10, 保留防止to space溢位
-XX:ParallelGCThreads=n STW執行緒數
-XX:ConcGCThreads=n 併發執行緒數=1/4*併發

最佳實踐

年輕代大小

避免使用-Xmn、-XX:NewRatio等顯示設定Young區大小，會覆蓋停頓時間目標

暫停時間目標

暫停時間不要太苛刻，其吞吐量目標是90%的應用程式的時間和10%的垃圾回收時間，太苛刻會直接影響到吞吐量

關於MixedGC調優

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent、-XX:G1HeapWastePercent
-XX:G1MixedGCCountTarget
-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent
MixedGC調優推薦：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/g1_gc_tuning.html#recommendations
G1垃圾收集器介紹：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22591838

是否需要切換到G1

50%以上的堆被存活物件佔用
物件分配和晉升的速度變化非常大
垃圾回收的時間特別長、超過了一秒

視覺化gc日誌分析工具

列印日誌相關引數

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:$CATALINA_HOME/logs/gc.log ：列印日誌的位置
-XX:+PrintHeapAtGC
-XX:+PrintTenuringDistribution

cms日誌

https://blogs.oracle.com/poonam/understanding-cms-gc-logs

g1日誌

https://blogs.oracle.com/poonam/understanding-g1-gc-logs

線上工具：http://gceasy.io/

GCViewer

https://github.com/chewiebug/GCViewer
直接啟動java -jar 啟動就可以了
主要關注吞吐量和停頓時間這些值

Tomcat的gc調優實戰

調優步驟：

  • 列印gc日誌
  • 根據gc日誌得到關鍵性指標
  • 分析gc原因，調優jvm引數
    初始化引數：
    -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps
    -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+DisableExplicitGC
    -Xloggc:$CATALINA_HOME/logs/gc.log ：列印日誌的位置
    -XX:+PrintHeapAtGC
    -XX:+PrintTenuringDistribution
    關於DisableExplicitGC這個，有必要了解一下，如果啟動了這個引數，不能顯示呼叫gc，System.gc()這個方法就沒用了，那麼在某一些使用到堆外記憶體的框架如netty中，就會存在記憶體洩漏的風險。
    參考：https://blog.csdn.net/aitangyong/article/details/39403031

Parallel collector調優

parallel gc調優指南：

  • 除非確定，否則不要設定最大堆記憶體
  • 優先設定吞吐量目標
  • 如果吞吐量目標達不到，調大最大記憶體，不能讓os使用swap，如果仍然達不到，降低目標。
  • 吞吐量能達到，GC時間太長、設定停頓時間的目標。
    在官方文件的這個地方：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/ergonomics.html#sthref15
    介紹了parallell gc調優的兩種方式：
    1、設定最大停頓時間XX:MaxGCPauseMillis
    2、設定吞吐量XX:GCTimeRatio
    這兩個引數只適用於paraller collector
    而在介紹Parallel collector的的文章這裡：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/parallel.html#CHDCFBIF
    說了另外兩種方式：
    3、設定記憶體動態變化：XX:YoungGenerationSizeIncrement、XX:TenuredGenerationSizeIncrement、XX:AdaptiveSizeDecrementScaleFactor，每次gc之後，都會看gc前後的記憶體，從而增加或者減少記憶體
    4、通過檢視gc的情況，設定記憶體大小，可以設定Xms(initial heap size) 、Xmx(maximum heap size)和Xmn(新生代的大小)還有MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize

CMS GC調優

由於jdk1.8之後更加推薦使用G1，所以cms的調優自己看官網：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/cms.html#concurrent_mark_sweep_cms_collector

G1 GC調優

g1gc調優指南：

年輕代大小

避免使用-Xmn、-XX:NewRatio等顯示設定Young區大小，會覆蓋停頓時間目標

暫停時間目標

暫停時間不要太苛刻，其吞吐量目標是90%的應用程式的時間和10%的垃圾回收時間，太苛刻會直接影響到吞吐量

關於MixedGC調優

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent、-XX:G1HeapWastePercent
-XX:G1MixedGCCountTarget
-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent
其實這裡的介紹就是官網的介紹
官網：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/g1_gc_tuning.html#recommendations
這裡介紹了調優的三種方式：
1、避免設定固定的記憶體例如Xms(initial heap size) 、Xmx(maximum heap size)和Xmn(新生代的大小)還有MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize，但是可以必要條件下可以調這些引數
2、設定最大停頓時間例如；MaxGCPauseMillis=100
3、對於mixed gc引數的設定，如：
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent、
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent、
-XX:G1HeapWastePercent、
-XX:G1MixedGCCountTarget 、
-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent

ps：最後思考一點，fullgc和young gc是相對parallel gc，而mixed是相對g1gc的嗎？

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