本文是成為Java GC專家系列文章的第二篇。在第一篇《深入淺出Java垃圾回收機制》中我們學習了不同GC演算法的執行過程，GC是如何工作的，什麼是新生代和老年代，你應該瞭解的JDK7中的5種GC型別，以及這5種類型對於應用效能的影響。

　　在本文中，我將解釋JVM到底是如何執行垃圾回收處理的。

什麼是GC監控？

　　垃圾回收收集監控指的是搞清楚JVM如何執行GC的過程，例如，我們可以查明：

　　1. 何時一個新生代中的物件被移動到老年代時，所花費的時間。

　　2. Stop-the-world 何時發生的，持續了多長時間。

　　GC監控是為了鑑別JVM是否在高效地執行GC，以及是否有必要進行額外的效能調優。基於以上資訊，我們可以修改應用程式或者調整GC演算法（GC優化）。

如何監控GC

　　有很多種方法可以監控GC，但其差別僅僅是GC操作通過何種方式展現而已。GC操作是由JVM來完成，而GC監控工具只是將JVM提供的GC資訊展現給你，因此，不論你使用何種方式監控GC都將得到相同的結果。所以你也就不必去學習所有的監控GC的方法。但是因為學習每種監控方法不會佔用太多時間，瞭解多一點可以幫助你根據不同的場景選擇最為合適的方式。

　　下面所列的工具以及JVM引數並不適用於所有的HVM供應商。這是因為並沒有關於GC資訊的強制標準。本文我們將使用HotSpot JVM (Oracle JVM)。因為NHN 一直在使用Oracle (Sun) JVM，所以用它作為示例來解釋我們提到的工具和JVM引數更容易些。
首先，GC監控方法根據訪問的介面不同，可以分成CUI 和GUI 兩大類。CUI GC監控方法使用一個獨立的叫做”jstat”的CUI應用，或者在啟動JVM的時候選擇JVM引數”verbosegc”。
　　GUI GC監控由一個單獨的圖形化應用來完成，其中三個最常用的應用是”jconsole”, “jvisualvm” 和 “Visual GC”。

　　下面我們來詳細學習每種方法。

jstat

　　jstat 是HotSpot JVM提供的一個監控工具。其他監控工具還有jps 和jstatd。有些時候，你可能需要同時使用三種工具來監控你的應用。jstat 不僅提供GC操作的資訊，還提供類裝載操作的資訊以及執行時編譯器操作的資訊。本文將只涉及jstat能夠提供的資訊中與監控GC操作資訊相關的功能。
　　jstat 被放置在$JDK_HOME/bin。因此只要java 和 javac能執行，jstat 同樣可以執行。
　　你可以在命令列環境下執行如下語句。

$> jstat –gc  $<vmid$> 1000
 
S0C       S1C       S0U    S1U      EC         EU          OC         OU         PC         PU         YGC     YGCT    FGC      FGCT     GCT
3008.0   3072.0    0.0     1511.1   343360.0   46383.0     699072.0   283690.2   75392.0    41064.3    2540    18.454    4      1.133    19.588
3008.0   3072.0    0.0     1511.1   343360.0   47530.9     699072.0   283690.2   75392.0    41064.3    2540    18.454    4      1.133    19.588
3008.0   3072.0    0.0     1511.1   343360.0   47793.0     699072.0   283690.2   75392.0    41064.3    2540    18.454    4      1.133    19.588
 
$>
 

　　在上圖的例子中，實際的資料會按照如下列輸出：

S0C    S1C     S0U     S1U    EC     EU     OC     OU     PC

　　vmid (虛擬機器 ID)，正如其名字描述的，它是虛擬機器的ID，Java應用不論執行在本地還是遠端的機器都會擁有自己獨立的vmid。執行在本地機器上的vmid稱之為lvmid (本地vmid)，通常是PID。如果想得到PID的值你可以使用ps命令或者windows工作管理員，但我們推薦使用jps來獲取，因為PID和lvmid有時會不一致。jps 通過Java PS實現，jps命令會返回vmids和main方法的資訊，正如ps命令展現PIDS和程序名字那樣。
　　首先通過jps命令找到你要監控的Java應用的vmid，並把它作為jstat的引數。當幾個WAS例項執行在同一臺裝置上時，如果你只使用jps命令，將只能看到啟動（bootstrap）資訊。我們建議在這種情況下使用ps -ef | grep java與jps配合使用。
　　想要得到GC效能相關的資料需要持續不斷地監控，因此在執行jstat時，要規則地輸出GC監控的資訊。
　　例如，執行”jstat –gc 1000″ (或 1s)會每隔一秒展示GC監控資料。”jstat –gc 1000 10″會每隔1秒展現一次，且一共10次。

引數名稱	描述
gc	輸出每個堆區域的當前可用空間以及已用空間（伊甸園，倖存者等等），GC執行的總次數，GC操作累計所花費的時間。
gccapactiy	輸出每個堆區域的最小空間限制（ms）/最大空間限制（mx），當前大小，每個區域之上執行GC的次數。（不輸出當前已用空間以及GC執行時間）。
gccause	輸出-gcutil提供的資訊以及最後一次執行GC的發生原因和當前所執行的GC的發生原因
gcnew	輸出新生代空間的GC效能資料
gcnewcapacity	輸出新生代空間的大小的統計資料。
gcold	輸出老年代空間的GC效能資料。
gcoldcapacity	輸出老年代空間的大小的統計資料。
gcpermcapacity	輸出持久帶空間的大小的統計資料。
gcutil	輸出每個堆區域使用佔比，以及GC執行的總次數和GC操作所花費的事件。

　　你可以只關心那些最常用的命令，你會經常用到 -gcutil (或-gccause), -gc and –gccapacity。

　　·   -gcutil 被用於檢查堆間的使用情況，GC執行的次數以及GC操作所花費的時間。

　　·   -gccapacity以及其他的引數可以用於檢查實際分配記憶體的大小。

　　使用-gc 引數你可以看到如下輸出：

S0C      S1C    …   GCT
1248.0   896.0  …   1.246
1248.0   896.0  …   1.246
…        …      …   …

　　不同的jstat引數輸出不同型別的列，如下表所示，根據你使用的”jstat option”會輸出不同列的資訊。

列	說明	Jstat引數
S0C	輸出Survivor0空間的大小。單位KB。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
S1C	輸出Survivor1空間的大小。單位KB。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
S0U	輸出Survivor0已用空間的大小。單位KB。	-gc -gcnew
S1U	輸出Survivor1已用空間的大小。單位KB。	-gc -gcnew
EC	輸出Eden空間的大小。單位KB。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
EU	輸出Eden已用空間的大小。單位KB。	-gc -gcnew
OC	輸出老年代空間的大小。單位KB。	-gc -gccapacity -gcold -gcoldcapacity
OU	輸出老年代已用空間的大小。單位KB。	-gc -gcold
PC	輸出持久代空間的大小。單位KB。	-gc -gccapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity
PU	輸出持久代已用空間的大小。單位KB。	-gc -gcold
YGC	新生代空間GC時間發生的次數。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
YGCT	新生代GC處理花費的時間。	-gc -gcnew -gcutil -gccause
FGC	full GC發生的次數。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
FGCT	full GC操作花費的時間	-gc -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
GCT	GC操作花費的總時間。	-gc -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
NGCMN	新生代最小空間容量，單位KB。	-gccapacity -gcnewcapacity
NGCMX	新生代最大空間容量，單位KB。	-gccapacity -gcnewcapacity
NGC	新生代當前空間容量，單位KB。	-gccapacity -gcnewcapacity
OGCMN	老年代最小空間容量，單位KB。	-gccapacity -gcoldcapacity
OGCMX	老年代最大空間容量，單位KB。	-gccapacity -gcoldcapacity
OGC	老年代當前空間容量制，單位KB。	-gccapacity -gcoldcapacity
PGCMN	持久代最小空間容量，單位KB。	-gccapacity -gcpermcapacity
PGCMX	持久代最大空間容量，單位KB。	-gccapacity -gcpermcapacity
PGC	持久代當前空間容量，單位KB。	-gccapacity -gcpermcapacity
PC	持久代當前空間大小，單位KB	-gccapacity -gcpermcapacity
PU	持久代當前已用空間大小，單位KB	-gc -gcold
LGCC	最後一次GC發生的原因	-gccause
GCC	當前GC發生的原因	-gccause
TT	老年化閾值。被移動到老年代之前，在新生代空存活的次數。	-gcnew
MTT	最大老年化閾值。被移動到老年代之前，在新生代空存活的次數。	-gcnew
DSS	倖存者區所需空間大小，單位KB。	-gcnew

　　jstat 的好處是它可以持續的監控GC操作資料，不論Java應用是執行在本地還是遠端，只要有控制檯的地方就可以使用。當使用–gcutil 會輸出如下資訊。在GC優化的時候，你需要特別注意YGC, YGCT, FGC, FGCT 和GCT。

S0      S1       E        O        P        YGC    YGCT     FGC    FGCT     GCT
0.00    66.44    54.12    10.58    86.63    217    0.928     2     0.067    0.995
0.00    66.44    54.12    10.58    86.63    217    0.928     2     0.067    0.995
0.00    66.44    54.12    10.58    86.63    217    0.928     2     0.067    0.995

　　這些資訊很重要，因為它們展示了GC處理到底花費了多少時間。
　　在這個例子中，YGC 是217而YGCT 是0.928，這樣在簡單的計算資料平均數後，你可以知道每次新生代的GC大概需要4ms（0.004秒），而full GC的平均時間為33ms。
但是，只看資料平均數經常無法分析出真正的GC問題。這是主要是因為GC操作時間嚴重的偏差（換句話說，假如兩次full GC的時間是 67ms，那麼其中的一次full GC可能執行了10ms而另一個可能執行了57ms。）為了更好地檢測每次GC處理時間，最好使用 –verbosegc來替代資料平均數。

-verbosegc

　　-verbosegc 是在啟動一個Java應用時可以指定的JVM引數之一。而jstat 可以監控任何JVM應用，即便它沒有指定任何引數。 -verbosegc 需要在啟動的時候指定，因此你可能會認為它沒有必要（因為jstat可以替代之）。但是， -verbosegc 會以更淺顯易懂的方式展現GC發生的結果，因此他對於監控監控GC資訊十分有用。

jstat	-verbosegc
監控物件	執行在本機的Java應用可以把日誌輸出到終端上，或者藉助jstatd命令通過網路連線遠端的Java應用。	只有那些把-verbogc作為啟動引數的JVM。
輸出資訊	堆狀態（已用空間，最大限制，GC執行次數/時間，等等）	執行GC前後新生代和老年代空間大小，GC執行時間。
輸出時間	Every designated time 每次設定好的時間。	每次GC發生的時候。
何時有用。	當你試圖觀察堆空間變化情況	當你試圖瞭解單次GC產生的效果。

　　下面是-verbosegc 的可用引數
· -XX:+PrintGCDetails
· -XX:+PrintGCTimeStamps
· -XX:+PrintHeapAtGC
· -XX:+PrintGCDateStamps (from JDK 6 update 4)

　　如果只是用了 -verbosegc 。那麼預設會加上 -XX:+PrintGCDetails。 –verbosgc 的附加引數並不是獨立的。而是經常組合起來使用。
　　使用 –verbosegc後，每次GC發生你都會看到如下格式的結果。

[GC [<collector>: <starting occupancy1> -> <ending occupancy1>, <pause time1> secs] <starting occupancy3> -> <ending occupancy3>, <pause time3> secs]

收集器	minor gc使用的收集器的名字
starting occupancy1	GC執行前新生代空間大小
ending occupancy1	GC執行後新生代空間大小
pause time1	因為執行minor GC，Java應用暫停的時間
starting occupancy3	GC執行前堆區域總大小
ending occupancy3	GC執行後堆區域總大小
pause time3	Java應用由於執行堆空間GC（包括major GC）而停止的時間

　　這是-verbosegc 輸出的minor GC的例子：

S0    S1     E      O      P        YGC    YGCT    FGC    FGCT     GCT
0.00  66.44  54.12  10.58  86.63    217    0.928     2    0.067    0.995
0.00  66.44  54.12  10.58  86.63    217    0.928     2    0.067    0.995
0.00  66.44  54.12  10.58  86.63    217    0.928     2    0.067    0.995

　　這是 Full GC發生時的例子：

[Full GC [Tenured: 3485K->4095K(4096K), 0.1745373 secs] 61244K->7418K(63104K), [Perm : 10756K->10756K(12288K)], 0.1762129 secs] [Times: user=0.19 sys=0.00, real=0.19 secs]

　　如果使用了 CMS collector，那麼如下CMS資訊也會被輸出。
　　由於 –verbosegc 引數在每次GC事件發生的時候都會輸出日誌，我們可以很輕易地觀察到GC操作對於堆空間的影響。

(Java) VisualVM  + Visual GC

　　Java Visual VM是由Oracle JDK提供的圖形化的彙總和監控工具。

圖1: VisualVM 截圖
　　除了JDK中自帶的版本，你還可以直接從官網下載Visual VM。出於便利性的考慮，JDK中包含的版本被命名為Java VisualVM (jvisualvm)，而官網提供的版本被命名為Visual VM (visualvm)。兩者的功能基本相同，只有一些細小的差別，例如安裝元件的時候。就個人而言，我更喜歡可以從官網下載的Visual VM。

圖 2: Viusal GC 安裝截圖

　　通過Visual GC，你可以更直觀的看到執行jstatd 所得到的資訊。

圖3: Visual GC 執行截圖

HPJMeter

HPJMeter 可以很方便的分析 -verbosegc 輸出的結果，如果Visual GC可以視作jstat的圖形化版本，那麼HPJMeter就相當於 –verbosgc的圖形化版本。當然，GC分析只是HPJMeter提供的眾多功能之一，HPJMeter是由惠普開發的效能監控工具，他可以支援HP-UX，Linux以及MS Windows。
　　起初，一個成為HPTune 被設計用來圖形化的分析-verbosegc.輸出的結果。但是，隨著HPTune的功能被整合到HPJMeter 3.0版本之後，就沒有必要單獨下載HPTune了。但執行一個應用時， -verbosegc 的結果會被輸出到一個獨立的檔案中。
　　你可以用HPJMeter直接開啟這個檔案，以便更直觀的分析GC效能資料。

圖4: HPJMeter

下次預告

　　本文我們主要講述瞭如果監控GC操作資訊，這將是GC優化的前提。就我個人經驗而言，我推薦使用jstat 來監控GC操作，如果你感覺到GC操作的執行時間過長，那就可以使用verbosegc 引數來分析GC。GC優化的大體步驟就是在新增verbosegc 引數後，調整GC引數，分析修改後的結果。在下一篇文章中，我們將通過真實的例子來講解優化GC的最佳選擇。
　　作者：Sangmin Lee, NHN公司，效能工程師實驗室高階工程師。