JVM性能及GC调优

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当线上Java程序性能逐渐下降，通过一系列优化手段也提升有限时，通常需要调整垃圾回收器来进一步提高性能，称为GC优化。从性能来说，GC调优主要关注以下三个评分指标：内存占用、延迟、吞吐量。影响GC性能的参数众多，且参数调整又依赖于应用各自的特点，这些因素很大程度上增加了GC优化的难度，本文介绍了线上GC调优需要学习的一些知识点。

1. Java运行参数设置及优化

Java运行时数据区如图所示：

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我们常说的GC大部分指的是Java Heap的一系列操作。本文的所有操作，是基于JDK1.8版本的。

1.1 堆参数

  • -Xms，堆的初始值，等价于-XX:InitialHeapSize，比如-Xms512m表示初始堆大小为512Mb，-Xms4g表示初始堆大小4g；
  • -Xmx，堆的最大值，等价于 -XX:MaxHeapSize，-Xmx8g表示最大堆为8g；
  • -Xmn，新生代及年轻代大小，则老年代的大小=Xmx-Xmn；
  • -XX:SurvivorRatio，年轻代中Eden区所占比例，默认是8，也就是Eden默认占80%；

最好将 -Xms 和 -Xmx 的值设置成一样的值，这样做是为了防止随着堆空间使用量增加，会动态的调整堆空间大小，有一定的性能损耗，不如开始就设置成相同的值，来规避性能损失。

1.2 栈参数

  • -Xss，栈空间大小，栈是线程独占的，所以是一个线程使用栈空间的大小，默认值是1M；

Each thread in a Java application has its own stack. The stack is used to hold return addresses, function/method call arguments, etc. So if a thread tends to process large structures via recursive algorithms, it may need a large stack for all those return addresses and such. With the Sun JVM, you can set that size via that parameter.

1.3 Metaspace参数

  • -XX:MetaspaceSize，Metaspace空间初始大小，默认是20.79M，这个初始大小是触发首次Metaspace Full GC的阈值，配置案例如 -XX:MetaspaceSize=256M；
  • -XX:MaxMetaspaceSize，Metaspace 最大值，默认不限制大小；
  • -XX:MinMetaspaceFreeRatio，最小空闲比，当Metaspace发生GC后，会计算Metaspace 的空闲比，如果空闲比(空闲空间/当前Metaspace大小)小于此值，就会触发Metaspace扩容。默认值是40 ，也就是40%，配置案例如 -XX:MinMetaspaceFreeRatio=40；
  • -XX:MaxMetaspaceFreeRatio，最大空闲比，当Metaspace发生GC后，会计算Metaspace的空闲比，如果空闲比(空闲空间/当前Metaspace大小)大于此值，就会触发Metaspace释放空间。默认值是70 ，也就是70%，配置案例如 -XX:MaxMetaspaceFreeRatio=70；

1.4 JVM运行配置参数

  • -verbose:gc或-XX:+PrintGC，简单输出GC日志；
  • -Xloggc:/logs/gc.log，GC日志输出位置；
  • -XX:+PrintGCDetails，输出GC详细日志；
  • -XX:+PrintGCDateStamps，输出GC的时间戳，以日期的形式，如2020-03-11T17:22:48.180+0800；
  • -XX:+PrintGCTimeStamps，输出GC的时间戳；
  • -XX:+PrintHeapAtGC，在进行GC的前后打印出堆的信息；
  • -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime，打印GC导致的Stop The World时间；
  • -XX:+PrintClassHistogramBeforeFullGC和XX:+PrintClassHistogramAfterFullGC，GC前后的类加载情况；
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，内存溢出时自动导出，内存很大的时候，可能会导不出来，使用XX:HeapDumpPath=dir导出内存映像文件；

1.5 设置垃圾回收器

JDK8可使用的垃圾收集器有7种，当然有的只适用于年轻代，有的只适用于老年代，JDK8中最新的垃圾收集器是G1，可以用于年轻代和老年代，到了JDK11，还出了ZGC。

  • -XX:+UseSerialGC，虚拟机Client模式下的默认值，使用Serial（新生代）+ Serial Old（老年代）收集器；
  • -XX:+UseParNewGC，使用ParNew + Serial Old，JDK9后不再支持；
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC，使用ParNew + CMS + Serial Old组合收集器，Serial Old作为CMS出现“Concurrent Mode Failure”错误后的备选；
  • -XX:+UseParallelGC，使用Parallel Scavenge（新生代） + Serial Old（老年代）收集器，JDK9之前Server模式下的默认设置；
  • -XX:+UseParallelOldGC，使用Parallel Scavenge（新生代） + Parallel Old（老年代）收集器；
  • -XX:+UseG1GC，使用G1垃圾收集器，JDK9之后的Server模式默认值；

1.6 远程JMX设置

当我们需要查看JVM运行状态，第一种是登陆JVM服务器，使用jmap、jstack、jstat等工具查看；第二种是开启JMX远程功能，使用jConsole、VisualVM等工具进行监控。开启的参数如下：

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-Dcom.sun.management.jmxremote
#指定jvm所在服务器ip或域名
-Djava.rmi.server.hostname=192.168.1.1
#指定端口
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=9999
-Dcom.sun.management.jmxremote.rmi.port=9999
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false

2. GC日志分析

2.1 Young GC日志

一段典型的Young GC(Minor GC)的日志如下：

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2020-03-11T17:43:28.034+0800: 20595.056: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 4185120K->4923K(4188160K)] 4547662K->368154K(8382464K), 0.0071567 secs] [Times: user=0.13 sys=0.00, real=0.01 secs]

Young GC说明图示：

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2.2 Full GC日志

Full GC日志：

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2018-01-10T16:53:43.811+0800: 980.825: [Full GC (Metadata GC Threshold) [PSYoungGen: 21613K->0K(231424K)] [ParOldGen: 390439K->400478K(761856K)] 412053K->400478K(993280K), [Metaspace: 314108K->313262K(1458176K)], 1.2320834 secs] [Times: user=7.86 sys=0.06, real=1.23 secs]

Full GC说明图示：

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2.3 GC日志分析工具

GChisto，是一款专业分析gc日志的工具，可以通过gc日志来分析：Minor GC、full gc的时间、频率等等，通过列表、报表、图表等不同的形式来反应gc的情况：

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GC Easy是一款在线的GC日志分析工具，将gc的log上传后，直接查看结果：

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3. 常用JDK工具

3.1 可视化工具类

工具 说明
jconsole 用于监控Java虚拟机的使用JMX规范的图形工具。它可以监控本地和远程JVM。它还可以监控和管理应用程序。
jvisualvm 提供内存和CPU分析，堆转储分析，内存泄漏检测等监控。

3.2 监控类

jstat是查看JVM统计信息的工具，jstat的命令格式为：

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jstat [options] pid [interval] [count]

options，一般使用 -gcutil 或 -gc 查看gc情况
pid，当前运行的Java进程号
interval，间隔时间，单位为秒或者毫秒
count，打印次数，如果缺省则打印无数次

options参数如下：

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-gc：统计 jdk gc时 heap信息，以使用空间字节数表示
-gcutil：统计 gc时 heap情况，以使用空间的百分比表示
-class：统计 class loader行为信息
-compile：统计编译行为信息
-gccapacity：统计不同 generations（新生代，老年代，持久代）的容量使用的最大最小值，例如使用到的最大值、最小值、当前使用值等等
-gccause：统计引起 gc的事件
-gcnew：统计 gc时，新生代的情况
-gcnewcapacity：统计 gc时，新生代 heap容量
-gcold：统计 gc时，老年代的情况
-gcoldcapacity：统计 gc时，老年代 heap容量
-gcpermcapacity：统计 gc时， permanent区 heap容量

以jstat -gc 60067 10000 5命令为例，运行结果为：

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每一列的含义为：

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S0C: 第1个Survivor空间的容量 Current survivor space 0 capacity (kB).
S1C: 第2个Survivor空间的容量(kB).
S0U: 第1个Survivor空间中已经使用的容量 Survivor space 0 utilization (kB).
S1U: 第2个Survivor空间中已经使用的容量(kB).
EC: Eden空间的容量(kB).
EU: Eden空间中已经使用的容量(kB).
OC: 老年代Old空间的容量(kB).
OU: 老年代Old空间已经使用的容量(kB).
MC: 元空间Metaspace的容量(kB).
MU: 元空间Metaspace已经使用的容量(kB).
CCSC: 压缩类空间的容量 Compressed class space capacity (kB).
CCSU: 压缩类空间已经使用的容量(kB).
YGC: Young GC发生的次数.
YGCT: Young GC花费的时间.
FGC: Full GC发生的次数.
FGCT: Full GC花费的时间.
GCT: 所有的GC花费的总时间.

jps是进程状态工具(JVM Process Status Tool)，在目标系统上列出HotSpot Java虚拟机进程的描述信息。

3.3 故障分析类

工具 说明
jinfo Java的配置信息工具(Java Configuration Information)，用于打印指定Java进程、核心文件或远程调试服务器的配置信息。
jhat Java堆分析工具(Java Heap Analysis Tool)，用于分析Java堆内存中的对象信息。
jmap Java内存映射工具(Java Memory Map)，主要用于打印指定Java进程、核心文件或远程调试服务器的共享对象内存映射或堆内存细节，打印内存dump文件等。
jstack Java的堆栈跟踪工具，主要用于打印指定Java进程、核心文件或远程调试服务器的Java线程的堆栈跟踪信息。

3.4 其他

Arthas是Alibaba开源的Java诊断工具，深受开发者喜爱。支持在线排查程序问题，无需重启，可动态跟踪Java代码，可实时监控JVM状态。支持Linux/Mac/Windows，采用命令行交互模式，同时提供丰富的Tab自动补全功能，进一步方便进行问题的定位和诊断。

4. 参考文档

以上内容就是关于JVM性能及GC调优的全部内容了，谢谢你阅读到了这里！

Author:zhaoyh