5.JVM层GC调优

作者: 心释逍遥lx | 来源:发表于2020-03-15 12:08 被阅读0次

JVM与调优 imooc JVM Markdown

JVM的内存结构

运行时数据区

方法区          （共享）
堆              （共享）
虚拟机栈         （私有）
本地方法栈       （私有）
程序计数器（PC）  （私有）

程序计数器PC Register
JVM支持多线程同时运行，每个线程有自己的PC Register，线程正在执行的方法叫做当前方法，如果是java代码，PC Register里面存放的就是当前正在执行的指令的地址。如果是C代码，则为空。

虚拟机栈JVM Stacks
Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks) 是线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

堆Heap
Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象示例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。
堆的优势是可以在运行时动态地分配内存空间，不必事先告诉编译器。

方法区Method Area
方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开来。对应于jdk1.8 的MetaSpace。

tips: 常量池Run-Time Constant Pool
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

本地方法栈Native Method Stacks
本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

非堆区：是操作系统的本地内存，独立于JVM之外的
Metaspace= Class、Package、Method、Field、字节码、常量池、符号引用等等
CCS: 32位指针的Class
CodeCache: JIT编译后的本地代码、JNI使用的C代码

常用参数

-Xms  -Xmx
-XX:NewSize -XX:MaxNewSize (新生代的大小/最大的大小)
-XX:NewRatio(New区和Old区比例) -XX:SurvivorRatio (Eden区和Survivor区比例)
-XX:MetaspaceSize -XX:MaxMetaspaceSize (指定Metaspace大小)    
-XX:+UseCompressedClassPointers(是否启用压缩的类指针)
-XX:CompressedClassSpaceSize(设置压缩类指针的内存大小，默认1G)
-XX:InitialCodeCacheSize    
-XX:ReservedCodeCacheSize

常用垃圾回收算法

思想：枚举根节点，做可达性分析
根节点：类加载器、Thread、虚拟机栈的本地变量表、static成员、常量引用、本地方法栈的变量等等。

标记清除算法

算法思想：
算法分为”标记“和”清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有。
缺点：
效率不高。标记和清除两个过程效率都不高。容易产生碎片（可能不连续），碎片太多会导致提前GC。

复制

算法思想：
它将可用内存按容量划分位大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。（Survivor1 和Survivor2就是采用复制算法）
优缺点：
实现简单，运行搞笑，但是空间利用率低。

标记整理

算法思想：
标记过程仍然与“标记-清除” 算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
优缺点：
没有了内存碎片。但是整理内存比较耗时。

分代垃圾回收

Young区用复制算法
Old区用标记清除或者标记整理

对象分配

对象优先在Eden区分配
大对象直接进入老年代：-XX:PretenureSizeThreshold (通过这个参数)，超过这个参数的值，进入老年代
长期存活对象进入老年代：-XX:MaxTenuringThreshold -XX:+PrintTenuringDistribution -XX:TargetSuivivorRatio

垃圾收集器

串行收集器Serial:Serial、Serial Old
并行收集器Parallel:Parallel Scavenge、Parallel Old、（吞吐量优先）    
并发收集器Concurrent:CMS、G1、（停顿时间优先）

tips: 并行 vs 并发

并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。适合科学计算、后台处理等弱交互场景。
并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），垃圾收集线程在执行的时候不会停顿用户程序的运行。适合对响应时间有要求的场景，比如Web。

tips: 停顿时间 vs 吞吐量

停顿时间：垃圾收集器做垃圾回收中断应用执行的时间。-XX:MaxGCPauseMillis
吞吐量：花在垃圾收集的时间和花在应用时间的占比。-XX:GCTimeRatio=<n>，垃圾收集时间占比：1/1+n。

串行收集器

-XX:+UseSerialGC
-XX:+UseSerialOldGC

并行收集器

吞吐量优先
-XX:+UseParallelGC、-XX:+UseParallelOldGC
Server模式下的默认收集器（总共client、server两种，默认超过2G，会启动Server）

并发收集器

响应时间优先
CMS：-XX:+UseConcMarkSweepGC (old区方式) -XX:+UseParNewGC （young区方式）
G1： -XX:+UseG1GC

垃圾收集器搭配

image.png

只有有连线就可以搭配使用，java8推荐使用G1（Young区、Old区都可以使用）

如何选择垃圾收集器

优先调整堆的大小让服务器自己来选择
如果内存小于100M，使用串行收集器
如果是单核，并且没有停顿时间的要求，串行或者JVM自己选
如果允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选
如果响应时间最重要，并且不能超过1秒，使用并发收集器

Parallel Collector

-XX:+UseParallelGC 手动开启，Server默认开启
-XX:ParallelGCThreads=<N> 多少个GC线程
CPU > 8 N = 5 / 8
CPU < 8N = CPU

Parallel Collector Ergonomics(自适应)

-XX:MaxGCPauseMillis=<N>
-XX:GCTimeRatio=<N>
-Xmx<N>
Ergonomics 方式需要动态调整每个区的条件，性能不是最好。

动态内存调整

-XX:YoungGenerationSizeIncrement=<Y> 默认20%
-XX:TenuredGenerationSizeIncrement=<T> 默认20%
-XX:AdaptiveSizeDecrementScaleFactor=<D> 默认4%
使用比较少。

CMS Collector

并发收集
低停顿低延迟
老年代收集器

CMS垃圾收集过程

CMS initial mark :初始标记Root,STW
CMS Concurrent mark: 并发标记
CMS-concurrent-preclean: 并发预清理
CMS remark: 重新标记，STW
CMS concurrent-sweep:并发清除
CMS-concurrent-reset:并发重置

CMS的缺点

CPU敏感（GC与应用一起使用）
浮动垃圾
空间碎片

CMS的相关参数

-XX:ConcGCThreads: 并发的GC线程数
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection: FullGC之后做压缩
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction: 多少次FullGC之后压缩一次
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction: 触发FullGC （默认92%old区垃圾）
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly:是否动态调
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark: FullGC之前先做YGC（调优参数，通常会打开）
-XX:+CMSClassUnloadingEnabled: 启用回收Perm区（1.7之前）

iCMS (增量的CMS)

适用于单核或双核（1.8已经废弃）

G1 Collector （1.8主流、1.9默认，并将CMS过时）

The Garbage-First (G1) collector is a server-style garbage collector, targeted for multi-processor machines with large memories. It meets garbage collection (GC) pause time goals with a high probability, while achieving high throughput. The G1 garbage collector is fully supported in Oracle JDK 7 update 4 and later releases. This means heap sizes of around 6GB or larger,and a stable and predictable pause time below 0.5 seconds.

新生代和老生代收集器

G1的几个概念

Region
SATB: Snapshot-At-The-Begining,它是通过Root Tracing得到的，GC开始时候存活对象的快照。
RSet:记录了其他Region中的对象引用本Region中对象的关系，属于points-into结构（谁引用了我的对象）

YoungGC

新对象进入Eden区
存活对象拷贝到Survivor区
存活时间达到年龄阈值时，对象晋升到Old区
以上阶段和通常的GC收集器一致

MixedGC

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

global concurrent marking

Initial marking phase: 标记GC Root，STW
Root region scanning phase: 标记存活Region
Concurrent marking phase: 标记存活的对象
Remark phase: 重新标记，STW
Cleanup phase：部分STW

MixedGC时机

InitiatingHeapOccupancyPercent:
堆占用率达到这个数值则触发global concurrent marking，默认45%
G1HeapWastePercent:
在global concurrent marking结束之后，可以知道区有多少空间要被回收，在每次YGC之后和再次发生Mixed GC之前，会检查垃圾占比是否达到此参数，只有达到了，下次才会发生Mixed GC。

MixedGC相关参数

G1MixedGCLiveThresholdPercent:Old区的region被回收时候的存活对象占比
G1MixedGCCountTarget:一次global concurrent marking之后，最多执行Mixed GC的次数。
G1OldCSetRegionThreshodPercent:一次Mixed GC中能被选入CSet的最多old区的region数量
-XX:+UseG1GC: 开启G1
-XX:G1HeapRegionSize=n: region的大小，1-32M，2048个
-XX:MaxGCPauseMillis=200:最大停顿时间
-XX:G1NewSizePervent、-XX:G1MaxNewSizePercent
-XX:G1ReservePercent=10: 保留防止to space溢出
-XX:ParallelGCThreads=n: STW线程数
-XX:ConcGCThreads=n:并发线程数=1/4*并行

G1最佳实践

年轻代大小： 避免使用-Xmn、-XX:NewRatio等显式设置Young区大小，会覆盖暂停时间目标。
暂停时间目标：暂停时间不要太严苛，其吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间，太严苛会直接影响到吞吐量。
关于MixedGC调优：
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent、-XX：G1HeapWastePercent
-XX:G1MixedGCCountTarget
-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent

切换到G1的场景

50%以上的堆被存活对象占用
对象分配和晋升的速度变化非常大
垃圾回收时间特别长，超过了1秒

可视化GC日志工具

在线工具：http://gceasy.io/
GCViewer

打印日志相关参数

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:$CATALINA_HOME/logs/gc.log
-XX:+PrintHeapAtGC
-XX:+PrintTenuringDistribution

ParallelGC调优

初始设置

-XX:+DisableExplicitGC (禁用明确GC)
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:+HeapDumpPath= $CATALINA_HOME/logs/ -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDataStamps -Xloggc:$ CATALINA_HOME/logs/gc.log

Parallel GC调优的指导原则

除非确定，否则不要设置最大堆内存
优先设置吞吐量目标
如果吞吐量目标达不到，调大最大内存，不能让OS使用Swap，如果仍然达不到，降低目标。
吞吐量能达到，GC时间太长，设置停顿时间的目标。

ParallelGC调优（参考）

设置Metaspace大小
-XX:MetaspaceSize=64M -XX:MaxMetaspaceSize=64M
添加吞吐量和停顿时间参数
-XX:GCTimeRatio=99 -XX:MaxGCPauseMillis=100
修改动态扩容增量
-XX:YoungGenerationSizeIncrement=30

G1 GC调优

G1调优相关参数

-XX:+UseG1GC
-Xms128M
-Xmx128M
-XX:MetaspaceSize=64M
-XX:MaxGCPauseMillis=100
-XX:+UseStringDeduplication
-XX:StringDeduplicationAgeThreshold=3