JVM系列-8.GC调优

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GC调优

GC调优指的是对**垃圾回收（Garbage Collection）**进行调优。GC调优的主要目标是避免由垃圾回收引起程序性能下降。

GC调优的核心分成三部分：

1、通用Jvm参数的设置。

2、特定垃圾回收器的Jvm参数的设置。

3、解决由频繁的FULLGC引起的程序性能问题。

GC调优没有没有唯一的标准答案，如何调优与硬件、程序本身、使用情况均有关系，重点学习调优的工具和方法。

GC调优的核心指标

所以判断GC是否需要调优，需要从三方面来考虑，与GC算法的评判标准类似：

吞吐量

吞吐量(Throughput) 吞吐量分为业务吞吐量和垃圾回收吞吐量

业务吞吐量指的在一段时间内，程序需要完成的业务数量。比如企业中对于吞吐量的要求可能会是这样的：

• 支持用户每天生成10000笔订单
• 在晚上8点到10点，支持用户查询50000条商品信息

保证高吞吐量的常规手段有两条：

1、优化业务执行性能，减少单次业务的执行时间

2、优化垃圾回收吞吐量

垃圾回收吞吐量

垃圾回收吞吐量指的是 CPU 用于执行用户代码的时间与 CPU 总执行时间的比值，即吞吐量 = 执行用户代码时间 /（执行用户代码时间 + GC时间）。吞吐量数值越高，垃圾回收的效率就越高，允许更多的CPU时间去处理用户的业务，相应的业务吞吐量也就越高。

延迟

延迟指的是从用户发起一个请求到收到响应这其中经历的时间。比如企业中对于延迟的要求可能会是这样的：

所有的请求必须在5秒内返回给用户结果

延迟 = GC延迟 + 业务执行时间，所以如果GC时间过长，会影响到用户的使用。

内存使用量

内存使用量指的是Java应用占用系统内存的最大值，一般通过Jvm参数调整，在满足上述两个指标的前提下，这个值越小越好。

GC调优的方法

GC调优的步骤总共分为四个步骤：

发现问题

jstat工具

Jstat工具是JDK自带的一款监控工具，可以提供各种垃圾回收、类加载、编译信息等不同的数据。

使用方法为：jstat -gc 进程ID 每次统计的间隔（毫秒） 统计次数

• C代表Capacity容量，U代表Used使用量
• S -- 幸存者区，E -- 伊甸园区，O -- 老年代，M -- 元空间
• YGC、YGT：年轻代GC次数和GC耗时（单位：秒）
• FGC、FGCT：Full GC次数和Full GC耗时
• GCT：GC总耗时

其优点操作简单、无额外的软件安装，缺点也很明显，无法精确到GC产生的时间，只能用于判断GC是否存在问题。

visualvm插件

VisualVm中提供了一款Visual Tool插件，实时监控Java进程的堆内存结构、堆内存变化趋势以及垃圾回收时间的变化趋势。同时还可以监控对象晋升的直方图。

其优点是适合开发使用，能直观的看到堆内存和GC的变化趋势 ，缺点是对程序运行性能有一定影响（因为需要收集这方面的信息），且生产环境程序员一般没有权限进行操作。

Prometheus + Grafana

Prometheus+Grafana是企业中运维常用的监控方案，其中Prometheus用来采集系统或者应用的相关数据，同时具备告警功能。Grafana可以将Prometheus采集到的数据以可视化的方式进行展示。

GC日志

通过GC日志，可以更好的看到垃圾回收细节上的数据，同时也可以根据每款垃圾回收器的不同特点更好地发现存在的问题。

使用方法（JDK 8及以下）：-XX:+PrintGCDetails -Xloggc:文件名

使用方法（JDK 9+）：-Xlog:gc*:file=文件名

GC Viewer

GCViewer是一个将GC日志转换成可视化图表的小工具，github地址： github.com/chewiebug/G...

使用方法：java -jar gcviewer_1.3.4.jar 日志文件.log

GCeasy

GCeasy是业界首款使用AI机器学习技术在线进行GC分析和诊断的工具。定位内存泄漏、GC延迟高的问题，提供JVM参数优化建议，支持在线的可视化工具图表展示。

常见的GC模式

正常情况

特点：呈现锯齿状，对象创建之后内存上升，一旦发生垃圾回收之后下降到底部，并且每次下降之后的内存大小接近，存留的对象较少。

缓存对象过多

特点：呈现锯齿状，对象创建之后内存上升，一旦发生垃圾回收之后下降到底部，并且每次下降之后的内存大小接近，处于比较高的位置。

问题产生原因： 程序中保存了大量的缓存对象，导致GC之后无法释放，可以使用MAT工具进行分析内存占用的原因。

内存泄漏

特点：呈现锯齿状，每次垃圾回收之后下降到的内存位置越来越高，最后由于垃圾回收无法释放空间导致对象无法分配产生OutOfMemory的错误。

问题产生原因： 程序中保存了大量的内存泄漏对象，导致GC之后无法释放，可以使用MAT工具进行分析是哪些对象产生了内存泄漏。

持续的FullGC

特点：在某个时间点产生多次Full GC，CPU使用率同时飙高，用户请求基本无法处理。一段时间之后恢复正常。问题产生原因： 在该时间范围请求量激增，程序开始生成更多对象，同时垃圾收集无法跟上对象创建速率，导致持续地在进行FULL GC。

元空间不足导致的FULLGC

特点：堆内存的大小并不是特别大，但是持续发生FULLGC。

问题产生原因： 元空间大小不足，导致持续FULLGC回收元空间的数据。

解决GC问题的手段

优化基础JVM参数

参数1 ： -Xmx 和 --Xms

-Xmx参数设置的是最大堆内存，但是由于程序是运行在服务器或者容器上，计算可用内存时，要将元空间、操作系统、其它软件占用的内存排除掉。

案例： 服务器内存4G，操作系统+元空间最大值+其它软件占用1.5G，-Xmx可以设置为2g。

最合理的设置方式应该是根据最大并发量估算服务器的配置，然后再根据服务器配置计算最大堆内存的值。

-Xms用来设置初始堆大小，建议将-Xms设置的和-Xmx一样大，有以下几点好处：

✓ 运行时性能更好，堆的扩容是需要向操作系统申请内存的，这样会导致程序性能短期下降。

✓ 可用性问题，如果在扩容时其他程序正在使用大量内存，很容易因为操作系统内存不足分配失败。

✓ 启动速度更快，Oracle官方文档的原话：**如果初始堆太小，Java 应用程序启动会变得很慢，因为 JVM 被迫频繁执行垃圾收集，直到堆增长到更合理的大小。**为了获得最佳启动性能，请将初始堆大小设置为与最大堆大小相同。

参数2 ： -XX:MaxMetaspaceSize 和 --XX:MetaspaceSize

-XX:MaxMetaspaceSize=值 参数指的是最大元空间大小，默认值比较大，如果出现元空间内存泄漏会让操作系统可用内存不可控，建议根据测试情况设置最大值，一般设置为256m。

-XX:MetaspaceSize=值 参数指的是到达这个值之后会触发FULLGC（网上很多文章的初始元空间大小是错误的），后续什么时候再触发JVM会自行计算。如果设置为和MaxMetaspaceSize一样大，就不会FULLGC，但是对象也无法 回收。

参数3 ： -Xss虚拟机栈大小

如果我们不指定栈的大小，JVM 将创建一个具有默认大小的栈。大小取决于操作系统和计算机的体系结构。比如Linux x86 64位 ： 1MB，如果不需要用到这么大的栈内存，完全可以将此值调小节省内存空间，合理值为256k -- 1m之间。

使用：-Xss256k

参数4 ： 不建议手动设置的参数

由于JVM底层设计极为复杂，一个参数的调整也许让某个接口得益，但同样有可能影响其他更多接口。

-Xmn 年轻代的大小，默认值为整个堆的1/3，可以根据峰值流量计算最大的年轻代大小，尽量让对象只存放在年轻代，不进入老年代。但是实际的场景中，接口的响应时间、创建对象的大小、程序内部还会有一些定时任务等不确定因素都会导致这个值的大小并不能仅凭计算得出，如果设置该值要进行大量的测试。G1垃圾回收器尽量不要设置该值，G1会动态调整年轻代的大小。

‐XX:SurvivorRatio 伊甸园区和幸存者区的大小比例，默认值为8。

‐XX:MaxTenuringThreshold 最大晋升阈值，年龄大于此值之后，会进入老年代。另外JVM有动态年龄判断机制：将年龄从小到大的对象占据的空间加起来，如果大于survivor区域的50%，然后把等于或大于该年龄的对象，放入到老年代。

-XX:+DisableExplicitGC

禁止在代码中使用System.gc()， System.gc()可能会引起FULLGC，在代码中尽量不要使用。使用DisableExplicitGC参数可以禁止使用System.gc()方法调用。

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：发生OutOfMemoryError错误时，自动生成hprof内存快照文件。

-XX:HeapDumpPath=：指定hprof文件的输出路径。

打印GC日志

JDK8及之前 ： -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:文件路径

JDK9及之后 ： -Xlog:gc*:file=文件路径

JVM参数模板：

-Xms1g
-Xmx1g
-Xss256k
-XX:MaxMetaspaceSize=512m 
-XX:+DisableExplicitGC
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=/opt/logs/my-service.hprof
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:文件路径

注意：

JDK9及之后gc日志输出修改为 -Xlog:gc*:file=文件名

堆内存大小和栈内存大小根据实际情况灵活调整。

垃圾回收器的选择

背景：

小李负责的程序在高峰期遇到了性能瓶颈，团队从业务代码入手优化了多次也取得了不错的效果，这次他希望能采用更合理的垃圾回收器优化性能。

思路：

1. 编写Jmeter脚本对程序进行压测，同时添加RT响应时间、每秒钟的事务数等指标进行监控。
2. 选择不同的垃圾回收器进行测试，并发量分别设置50、100、200，观察数据的变化情况。

垃圾回收器的组合关系

垃圾回收器是垃圾回收算法的具体实现。

由于垃圾回收器分为年轻代和老年代，除了G1之外其他垃圾回收器必须成对组合进行使用。具体的关系图如下：

JDK8 下 ParNew + CMS 组合 ： -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC

默认组合 ： PS + PO

JDK8使用g1 : -XX:+UseG1GC

JDK11 默认 g1

优化垃圾回收器的参数

这部分优化效果未必出色，仅当前边的一些手动无效时才考虑。

一个优化的案例：

CMS的并发模式失败 （concurrent mode failure）现象。由于CMS的垃圾清理线程和用户线程是并行进行的，如果在并发清理的过程中老年代的空间不足以容纳放入老年代的对象，会产生并发模式失败。

并发模式失败会导致Java虚拟机使用Serial Old单线程进行FULLGC回收老年代，出现长时间的停顿。

解决方案：

1.减少对象的产生以及对象的晋升。

2.增加堆内存大小

3.优化垃圾回收器的参数，比如-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=值，当老年代大小到达该阈值时，会自动进行CMS垃圾回收，通过控制这个参数提前进行老年代的垃圾回收，减少其大小。

JDK8中默认这个参数值为 -1，根据其他几个参数计算出阈值： ((100 - MinHeapFreeRatio) + (double)(CMSTriggerRatio * MinHeapFreeRatio) / 100.0)

该参数设置完是不会生效的，必须开启-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly参数。

实战中调整之后的效果：

这个值如果调低之后，很有可能会导致你的垃圾回收次数比原来多很多，因为原来是达到92%才触及回收的，现在达到20%就触及回收了，所以在某些场景下，可能测试之后，当前的这个吞吐量会比调整之前会更差一些。

案例实战

背景：

小李负责的程序在高峰期经常会出现接口调用时间特别长的现象，他希望能优化程序的性能。

思路：

1. 生成GC报告，通过Gceasy工具进行分析，判断是否存在GC问题或者内存问题。
2. 存在内存问题，通过jmap或者arthas将堆内存快照保存下来。
3. 通过MAT或者在线的heaphero工具分析内存问题的原因。
4. 修复问题，并发布上线进行测试。

问题1：

发生了连续的FULL GC,堆内存1g如果没有请求的情况下，内存大小在200-300mb之间。

分析：

没有请求的情况下，内存大小并没有处于很低的情况，满足缓存对象过多的情况，怀疑内存种缓存了很多数据。需要将堆内存快照保存下来进行分析。

问题2：

堆内存快照保存到本地之后，使用MAT打开，发现只有几十兆的内存。

分析：

有大量的对象不在GC Root引用链上，可以被回收，使用MAT查看这些对象。

问题3：

由于这些对象已经不在引用链上，无法通过支配树等手段分析创建的位置。

分析：

在不可达对象列表中，除了发现大量的byte[]还发现了大量的线程，可以考虑跟踪线程的栈信息来判断对象在哪里创建。

问题产生原因：

在定时任务中通过线程创建了大量的对象，导致堆内存一直处于比较高的位置。

解决方案：

暂时先将这段代码注释掉，测试效果，由于这个服务本身的内存压力比较大，将这段定时任务移动到别的服务中。

问题4：

修复之后内存基本上处于100m左右，但是当请求发生时，依然有频繁FULL GC的发生。

分析：

请求产生的内存大小比当前最大堆内存大，尝试选择配置更高的服务器，将-Xmx和-Xms参数调大一些。

案例总结：

1、压力比较大的服务中，尽量不要存放大量的缓存或者定时任务，会影响到服务的内存使用。

2、内存分析发现有大量线程创建时，可以使用导出线程栈来查看线程的运行情况。

3、如果请求确实创建了大量的内存超过了内存上限，只能考虑减少请求时创建的对象，或者使用更大的内存。

4、推荐使用g1垃圾回收器，并且使用较新的JDK可以获得更好的性能。