正文

本文的內(nèi)容主要如下：

GC 基礎(chǔ)原理素挽，涉及調(diào)優(yōu)目標(biāo)狸驳，GC 事件分類、JVM 內(nèi)存分配策略耙箍、GC 日志分析等

CMS 原理及調(diào)優(yōu)辩昆。

G1 原理及調(diào)優(yōu)

GC 問題排查和解決思路

1. GC 基礎(chǔ)原理

1.1. GC 調(diào)優(yōu)目標(biāo)

大多數(shù)情況下對(duì) Java 程序進(jìn)行 GC 調(diào)優(yōu)，主要關(guān)注兩個(gè)目標(biāo)：

響應(yīng)速度（Responsiveness）：響應(yīng)速度指程序或系統(tǒng)對(duì)一個(gè)請(qǐng)求的響應(yīng)有多迅速

比如遮斥，用戶訂單查詢響應(yīng)時(shí)間扇丛，對(duì)響應(yīng)速度要求很高的系統(tǒng)，較大的停頓時(shí)間是不可接受的较屿。調(diào)優(yōu)的重點(diǎn)是在短的時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)卓练。

吞吐量（Throughput）：吞吐量關(guān)注在一個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)的最大工作量

例如每小時(shí)批處理系統(tǒng)能完成的任務(wù)數(shù)量，在吞吐量方面優(yōu)化的系統(tǒng)嘱么，較長(zhǎng)的 GC 停頓時(shí)間也是可以接受的顽悼，因?yàn)楦咄掏铝繎?yīng)用更關(guān)心的是如何盡可能快地完成整個(gè)任務(wù)，不考慮快速響應(yīng)用戶請(qǐng)求

在 GC 調(diào)優(yōu)中冰评，GC 導(dǎo)致的應(yīng)用暫停時(shí)間影響系統(tǒng)響應(yīng)速度木羹，GC 處理線程的 CPU 使用率影響系統(tǒng)吞吐量解孙。

1.2. GC 分代收集算法

現(xiàn)代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法抛人，其主要思想： 將 Java 的堆內(nèi)存邏輯上分成兩塊：新生代、老年代廷臼，針對(duì)不同存活周期盅惜、不同大小的對(duì)象采取不同的垃圾回收策略忌穿。

1.2.1. 新生代（Young Generation）

新生代又叫年輕代掠剑，大多數(shù)對(duì)象在新生代中被創(chuàng)建，很多對(duì)象的生命周期很短井佑。每次新生代的垃圾回收（又稱 Young GC眠寿、Minor GC、YGC）后只有少量對(duì)象存活盒发，所以使用復(fù)制算法狡逢，只需少量的復(fù)制操作成本就可以完成回收。

**新生代內(nèi)又分三個(gè)區(qū)：**一個(gè) Eden 區(qū)蛮艰，兩個(gè) Survivor 區(qū)（S0雀彼、S1，又稱From Survivor仍律、To Survivor）实柠，大部分對(duì)象在 Eden 區(qū)中生成。

當(dāng) Eden 區(qū)滿時(shí)草则，還存活的對(duì)象將被復(fù)制到兩個(gè) Survivor 區(qū)（中的一個(gè)）；當(dāng)這個(gè) Survivor 區(qū)滿時(shí)炕横，此區(qū)的存活且不滿足晉升到老年代條件的對(duì)象將被復(fù)制到另外一個(gè) Survivor 區(qū)份殿。對(duì)象每經(jīng)歷一次復(fù)制，年齡加 1卿嘲，達(dá)到晉升年齡閾值后拾枣，轉(zhuǎn)移到老年代。

1.2.2. 老年代（Old Generation）

在新生代中經(jīng)歷了 N 次垃圾回收后仍然存活的對(duì)象梅肤，就會(huì)被放到老年代姨蝴，該區(qū)域中對(duì)象存活率高。老年代的垃圾回收通常使用“標(biāo)記-整理”算法吨些。

1.3. GC 事件分類

根據(jù)垃圾收集回收的區(qū)域不同炒辉，垃圾收集主要分為：

Young GC

Old GC

Full GC

Mixed GC

1.3.1. Young GC

新生代內(nèi)存的垃圾收集事件稱為 Young GC（又稱 Minor GC），當(dāng) JVM 無法為新對(duì)象分配在新生代內(nèi)存空間時(shí)總會(huì)觸發(fā) Young GC偶器。比如 Eden 區(qū)占滿時(shí)缝裤，新對(duì)象分配頻率越高，Young GC 的頻率就越高霎苗。

Young GC 每次都會(huì)引起全線停頓（Stop-The-World）榛做，暫停所有的應(yīng)用線程，停頓時(shí)間相對(duì)老年代 GC 造成的停頓趣苏，幾乎可以忽略不計(jì)。

1.3.2. Old GC/Full GC/Mixed GC

Old GC：只清理老年代空間的 GC 事件，只有 CMS 的并發(fā)收集是這個(gè)模式昂灵。

Full GC：清理整個(gè)堆的 GC 事件舞萄，包括新生代、老年代撑螺、元空間等 把还。

Mixed GC：清理整個(gè)新生代以及部分老年代的 GC茸俭，只有 G1 有這個(gè)模式调鬓。

1.4. GC 日志分析

GC 日志是一個(gè)很重要的工具，它準(zhǔn)確記錄了每一次的 GC 的執(zhí)行時(shí)間和執(zhí)行結(jié)果腾窝，通過分析 GC 日志可以調(diào)優(yōu)堆設(shè)置和 GC 設(shè)置虹脯，或者改進(jìn)應(yīng)用程序的對(duì)象分配模式。

開啟的 JVM 啟動(dòng)參數(shù)如下：

-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps? -XX:+PrintGCTimeStamps復(fù)制代碼

常見的 Young GC唇敞、Full GC 日志含義如下：

Young GC

Full GC

免費(fèi)的 GC 日志圖形分析工具推薦下面 2 個(gè)：

GCViewer：下載 jar 包直接運(yùn)行

gceasy：Web 工具疆柔，上傳 GC 日志在線使用

1.5. 內(nèi)存分配策略

Java 提供的自動(dòng)內(nèi)存管理镶柱，可以歸結(jié)為解決了對(duì)象的內(nèi)存分配和回收的問題。前面已經(jīng)介紹了內(nèi)存回收鞋屈，下面介紹幾條最普遍的內(nèi)存分配策略：

1.5.1. 對(duì)象優(yōu)先在 Eden 區(qū)分配

大多數(shù)情況下，對(duì)象在先新生代 Eden 區(qū)中分配湖蜕。當(dāng) Eden 區(qū)沒有足夠空間進(jìn)行分配時(shí)宋列，虛擬機(jī)將發(fā)起一次 Young GC。

1.5.2. 大對(duì)象直接進(jìn)入老年代

JVM 提供了一個(gè)對(duì)象大小閾值參數(shù)（-XX:PretenureSizeThreshold灭返，默認(rèn)值為 0坤邪，代表不管多大都是先在 Eden 中分配內(nèi)存）。

大于參數(shù)設(shè)置的閾值值的對(duì)象直接在老年代分配怎静，這樣可以避免對(duì)象在 Eden 及兩個(gè) Survivor 直接發(fā)生大內(nèi)存復(fù)制黔衡。

1.5.3. 長(zhǎng)期存活的對(duì)象進(jìn)入老年代

對(duì)象每經(jīng)歷一次垃圾回收，且沒被回收掉夜牡，它的年齡就增加 1侣签，大于年齡閾值參數(shù)（-XX:MaxTenuringThreshold，默認(rèn) 15）的對(duì)象蹦肴，將晉升到老年代中猴娩。

1.5.4. 空間分配擔(dān)保

當(dāng)進(jìn)行 Young GC 之前，JVM 需要預(yù)估：老年代是否能夠容納 Young GC 后新生代晉升到老年代的存活對(duì)象胀溺，以確定是否需要提前觸發(fā) GC 回收老年代空間，基于空間分配擔(dān)保策略來計(jì)算背零。

Young GC 之后如果成功（Young GC 后晉升對(duì)象能放入老年代）无埃，則代表擔(dān)保成功，不用再進(jìn)行 Full GC侦镇，提高性能壳繁。

如果失敗，則會(huì)出現(xiàn)“promotion failed”錯(cuò)誤闹炉，代表擔(dān)保失敗渣触，需要進(jìn)行 Full GC。

1.5.5. 動(dòng)態(tài)年齡判定

新生代對(duì)象的年齡可能沒達(dá)到閾值（MaxTenuringThreshold 參數(shù)指定）就晉升老年代皂冰。

如果 Young GC 之后养篓，新生代存活對(duì)象達(dá)到相同年齡所有對(duì)象大小的總和大于任意? Survivor 空間（S0+S1空間）的一半，此時(shí) S0 或者 S1 區(qū)即將容納不了存活的新生代對(duì)象剔应。年齡大于或等于該年齡的對(duì)象就可以直接進(jìn)入老年代语御，無須等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年齡席怪。

另外，如果 Young GC 后 S0 或 S1 區(qū)不足以容納：未達(dá)到晉升老年代條件的新生代存活對(duì)象碉纺，會(huì)導(dǎo)致這些存活對(duì)象直接進(jìn)入老年代刻撒，需要盡量避免。

2. CMS 原理及調(diào)優(yōu)

2.1. 術(shù)語解釋

2.1.1. 可達(dá)性分析算法

用于判斷對(duì)象是否存活态贤，基本思想是通過一系列稱為“GC Root”的對(duì)象作為起點(diǎn)（常見的 GC Root 有系統(tǒng)類加載器醋火、棧中的對(duì)象、處于激活狀態(tài)的線程等）柿冲，基于對(duì)象引用關(guān)系假抄，從 GC Roots 開始向下搜索，所走過的路徑稱為引用鏈宿饱，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到 GC Root 沒有任何引用鏈相連刑棵，證明對(duì)象不再存活。

2.1.2. Stop The World

GC 過程中分析對(duì)象引用關(guān)系蛉签，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性碍舍，需要通過停頓所有 Java 執(zhí)行線程，保證引用關(guān)系不再動(dòng)態(tài)變化妈经，該停頓事件稱為 Stop The World（STW）捧书。

2.1.3. Safepoint

代碼執(zhí)行過程中的一些特殊位置，當(dāng)線程執(zhí)行到這些位置的時(shí)候爆哑，說明虛擬機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)是安全的舆吮，如果有需要 GC，線程可以在這個(gè)位置暫停潭袱。

HotSpot 采用主動(dòng)中斷的方式锋恬，讓執(zhí)行線程在運(yùn)行期輪詢是否需要暫停的標(biāo)志，若需要?jiǎng)t中斷掛起趟径。

2.2. CMS 算法簡(jiǎn)介

CMS（Concurrent Mark and Sweep 并發(fā)-標(biāo)記-清除）蜗巧，是一款基于并發(fā)、使用標(biāo)記清除算法的垃圾回收算法幕屹，只針對(duì)老年代進(jìn)行垃圾回收望拖。

CMS 收集器工作時(shí)，盡可能讓 GC 線程和用戶線程并發(fā)執(zhí)行说敏，以達(dá)到降低 STW 時(shí)間的目的盔沫。

通過以下命令行參數(shù)，啟用 CMS 垃圾收集器：

-XX:+UseConcMarkSweepGC復(fù)制代碼

值得補(bǔ)充的是拟淮，下面介紹到的 CMS GC 是指老年代的 GC谴忧，而 Full GC 指的是整個(gè)堆的 GC 事件，包括新生代委造、老年代搏屑、元空間等粉楚，兩者有所區(qū)分模软。

2.3. 新生代垃圾回收

能與 CMS 搭配使用的新生代垃圾收集器有 Serial 收集器和 ParNew 收集器。

這 2 個(gè)收集器都采用標(biāo)記復(fù)制算法携狭，都會(huì)觸發(fā) STW 事件回俐，停止所有的應(yīng)用線程稀并。不同之處在于碘举，Serial 是單線程執(zhí)行搁廓，ParNew 是多線程執(zhí)行。

作者：零壹技術(shù)棧

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來源：稀土掘金

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