老大难的GC原理及调优

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

本文主要内容如下：

  • GC基础原理，设计调优目标，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

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 和 吞吐量

  • 响应速度（Responsiveness）：响应速度是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处理线线程的CPU使用率影响系统吞吐量。

GC分代搜集算法

现代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，其主要思想是：将Java的堆内存逻辑上分为两位：新生代和老年代，针对不同存活周期、不同大小的对象采用不同的垃圾回收策略。

分代收集算法

  • 新生代（Young Generation）

    新生代又称为年轻代，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，只需要少量的复制操作成本就可以完成回收。

新生代内又分为三个区：一个Eden区，两个Survivor区（S0、S1，又称为 From Survivor、To Survivor），大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时，还存活的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）

    在新生代中经理了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到老年代中，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。

GC事件分类

根据垃圾回收的区域不同，垃圾收集通常分为 Young GC、Old GC、Full GC、Mixed GC

Young GC

新生代内存的垃圾收集事件被称为Young GC（又称为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一次Young GC，比如Eden区满时，新对象分配频率越高，Young GC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造成的停顿，几乎可以忽略不计。

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

GC日志分析

GC日志是一个很重要的工具，它准确的记录了每一次的GC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：

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

常见的Young GC、Full GC日志含义如下：

Young GC

Full GC

免费的GC日志图形分析工具推荐下面两个：

  • GCViewer，下载jar包直接运行
  • gceasy，web工具，上传GC日志在线使用

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，对象在新生代Eden区分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Young GC

  • 大对象直接进入老年代：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区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，且没有被回收掉，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：在进行Young GC之前，JVM需要评估：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。

    空间分配担保

    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），代表担保成功，不用再进行Full GC，提高性能。如果失败，贼会出现“promotion failed”的错误，代表担保失败，需要进行Full GC。

  • 动态年龄判断：新生代对象的年龄可能没有达到阈值（MaxTenuringThreshold）就晋升到老年代。如果Young GC之后，新生代存活对象达到相同年龄的所有对象大小的总和大于任一Survivor区空间（S0或S1总空间）的一半，此时S0或者S1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，无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

CMS原理及调优

名词解释

可达性分析算法：用于判断兑现是否存活，基本思想是通过一系列被称为“GC Root”的对象作为起点（常见的GC Root对象有系统类加载器、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 Root开始向下搜索，所有走过的路径被称为引用链，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，该停顿事件被称为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时，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有需要暂停的标志，若需要则中断挂起。

CMS简介

CMS（Concurrent Mark And Sweep 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，以达到降级STW时间的目的。

通过使用以下命令行参数，启用CMS垃圾收集器：

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-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。

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。这两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。

新生代

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

CMS 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对象，包括GC Root的直接饮用，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，可以通过参数CMSParallelInitialMarkEnabled调整）

初始标记

  • 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的可达对象

    并发标记

  • 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的，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），如果引用关系发生变化，JVM会将发生改变的区域标记为「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

    并发预清理

  • 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

扫描的终止条件：

  • 达到循环次数
  • 达到循环执行时间阈值
  • 新生代内存使用率达到阈值

  • 阶段5：最终标记（Final Remark）

    这是GC事件中的第二次（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：

    • 遍历新生代对象，重新标记
    • 根据GC Roots，重新标记
    • 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

    并发清除

  • 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。

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程，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。但是如果在上个阶段（并发可取消的预清理）已经触发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

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

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

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

G1堆空间划分

G1收集器堆空间

  • 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内存，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

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

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

全局并发标记

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

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

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。

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
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jstat -gc <pid> <统计间隔时间>  <统计次数>

输出返回值代表含义如下：

jsta输出说明

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
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// 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
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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-Falcon
  • jdk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、gceasy
  • GC参数检查和优化：xxfox.perfma.com/

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。

文章转自掘金，特别鸣谢