這篇文章主要介紹“java應(yīng)用怎么實(shí)現(xiàn)GC優(yōu)化”，在日常操作中，相信很多人在java應(yīng)用怎么實(shí)現(xiàn)GC優(yōu)化問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對(duì)大家解答”java應(yīng)用怎么實(shí)現(xiàn)GC優(yōu)化”的疑惑有所幫助！接下來，請(qǐng)跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！
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當(dāng)Java程序性能達(dá)不到既定目標(biāo)，且其他優(yōu)化手段都已經(jīng)窮盡時(shí)，通常需要調(diào)整垃圾回收器來進(jìn)一步提高性能，稱為GC優(yōu)化。但GC算法復(fù)雜，影響GC性能的參數(shù)眾多，且參數(shù)調(diào)整又依賴于應(yīng)用各自的特點(diǎn)，這些因素很大程度上增加了GC優(yōu)化的難度。即便如此，GC調(diào)優(yōu)也不是無章可循，仍然有一些通用的思考方法。本篇會(huì)介紹這些通用的GC優(yōu)化策略和相關(guān)實(shí)踐案例，主要包括如下內(nèi)容： > 優(yōu)化前準(zhǔn)備: 簡(jiǎn)單回顧JVM相關(guān)知識(shí)、介紹GC優(yōu)化的一些通用策略。 > 優(yōu)化方法: 介紹調(diào)優(yōu)的一般流程：明確優(yōu)化目標(biāo)→優(yōu)化→跟蹤優(yōu)化結(jié)果。 > 優(yōu)化案例: 簡(jiǎn)述筆者所在團(tuán)隊(duì)遇到的GC問題以及優(yōu)化方案。
為了更好地理解本篇所介紹的內(nèi)容，你需要了解如下內(nèi)容。 1. GC相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，包括但不限于： a) GC工作原理。 b) 理解新生代、老年代、晉升等術(shù)語含義。 c) 可以看懂GC日志。
GC優(yōu)化不能解決一切性能問題，它是最后的調(diào)優(yōu)手段。
如果對(duì)第一點(diǎn)中提及的知識(shí)點(diǎn)不是很熟悉，可以先閱讀小結(jié)-JVM基礎(chǔ)回顧；如果已經(jīng)很熟悉，可以跳過該節(jié)直接往下閱讀。
簡(jiǎn)單介紹一下JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)和常見的垃圾回收器。
當(dāng)代主流虛擬機(jī)（Hotspot VM）的垃圾回收都采用“分代回收”的算法?！胺执厥铡笔腔谶@樣一個(gè)事實(shí)：對(duì)象的生命周期不同，所以針對(duì)不同生命周期的對(duì)象可以采取不同的回收方式，以便提高回收效率。
Hotspot VM將內(nèi)存劃分為不同的物理區(qū)，就是“分代”思想的體現(xiàn)。如圖所示，JVM內(nèi)存主要由新生代、老年代、永久代構(gòu)成。
① 新生代（Young Generation）：大多數(shù)對(duì)象在新生代中被創(chuàng)建，其中很多對(duì)象的生命周期很短。每次新生代的垃圾回收（又稱Minor GC）后只有少量對(duì)象存活，所以選用復(fù)制算法，只需要少量的復(fù)制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)，兩個(gè)Survivor區(qū)（一般而言），大部分對(duì)象在Eden區(qū)中生成。當(dāng)Eden區(qū)滿時(shí)，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)，此區(qū)的存活且不滿足“晉升”條件的對(duì)象將被復(fù)制到另外一個(gè)Survivor區(qū)。對(duì)象每經(jīng)歷一次Minor GC，年齡加1，達(dá)到“晉升年齡閾值”后，被放到老年代，這個(gè)過程也稱為“晉升”。顯然，“晉升年齡閾值”的大小直接影響著對(duì)象在新生代中的停留時(shí)間，在Serial和ParNew GC兩種回收器中，“晉升年齡閾值”通過參數(shù)MaxTenuringThreshold設(shè)定，默認(rèn)值為15。
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，就會(huì)被放到年老代，該區(qū)域中對(duì)象存活率高。老年代的垃圾回收（又稱Major GC）通常使用“標(biāo)記-清理”或“標(biāo)記-整理”算法。整堆包括新生代和老年代的垃圾回收稱為Full GC（HotSpot VM里，除了CMS之外，其它能收集老年代的GC都會(huì)同時(shí)收集整個(gè)GC堆，包括新生代）。
③ 永久代（Perm Generation）：主要存放元數(shù)據(jù)，例如Class、Method的元信息，與垃圾回收要回收的Java對(duì)象關(guān)系不大。相對(duì)于新生代和年老代來說，該區(qū)域的劃分對(duì)垃圾回收影響比較小。
不同的垃圾回收器，適用于不同的場(chǎng)景。常用的垃圾回收器：
串行（Serial）回收器是單線程的一個(gè)回收器，簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、效率高。
并行（ParNew）回收器是Serial的多線程版，可以充分的利用CPU資源，減少回收的時(shí)間。
吞吐量?jī)?yōu)先（Parallel Scavenge）回收器，側(cè)重于吞吐量的控制。
并發(fā)標(biāo)記清除（CMS，Concurrent Mark Sweep）回收器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的回收器，該回收器是基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的。
每一種回收器的日志格式都是由其自身的實(shí)現(xiàn)決定的，換而言之，每種回收器的日志格式都可以不一樣。但虛擬機(jī)設(shè)計(jì)者為了方便用戶閱讀，將各個(gè)回收器的日志都維持一定的共性。JavaGC日志 中簡(jiǎn)單介紹了這些共性。
各分區(qū)的大小對(duì)GC的性能影響很大。如何將各分區(qū)調(diào)整到合適的大小，分析活躍數(shù)據(jù)的大小是很好的切入點(diǎn)。
活躍數(shù)據(jù)的大小是指，應(yīng)用程序穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)期存活對(duì)象在堆中占用的空間大小，也就是Full GC后堆中老年代占用空間的大小?？梢酝ㄟ^GC日志中Full GC之后老年代數(shù)據(jù)大小得出，比較準(zhǔn)確的方法是在程序穩(wěn)定后，多次獲取GC數(shù)據(jù)，通過取平均值的方式計(jì)算活躍數(shù)據(jù)的大小?；钴S數(shù)據(jù)和各分區(qū)之間的比例關(guān)系如下（見參考文獻(xiàn)1）：
| 空間 | 倍數(shù) |
|---|---|
| 總大小 | 3-4 倍活躍數(shù)據(jù)的大小 |
| 新生代 | 1-1.5 活躍數(shù)據(jù)的大小 |
| 老年代 | 2-3 倍活躍數(shù)據(jù)的大小 |
| 永久代 | 1.2-1.5 倍Full GC后的永久代空間占用 |
例如，根據(jù)GC日志獲得老年代的活躍數(shù)據(jù)大小為300M，那么各分區(qū)大小可以設(shè)為：
總堆：1200MB = 300MB × 4* 新生代：450MB = 300MB × 1.5* 老年代： 750MB = 1200MB - 450MB*
這部分設(shè)置僅僅是堆大小的初始值，后面的優(yōu)化中，可能會(huì)調(diào)整這些值，具體情況取決于應(yīng)用程序的特性和需求。
GC優(yōu)化一般步驟可以概括為：確定目標(biāo)、優(yōu)化參數(shù)、驗(yàn)收結(jié)果。
明確應(yīng)用程序的系統(tǒng)需求是性能優(yōu)化的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的需求是指應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)某方面的要求，譬如： - 高可用，可用性達(dá)到幾個(gè)9。 - 低延遲，請(qǐng)求必須多少毫秒內(nèi)完成響應(yīng)。 - 高吞吐，每秒完成多少次事務(wù)。
明確系統(tǒng)需求之所以重要，是因?yàn)樯鲜鲂阅苤笜?biāo)間可能沖突。比如通常情況下，縮小延遲的代價(jià)是降低吞吐量或者消耗更多的內(nèi)存或者兩者同時(shí)發(fā)生。
由于筆者所在團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注高可用和低延遲兩項(xiàng)指標(biāo)，所以接下來分析，如何量化GC時(shí)間和頻率對(duì)于響應(yīng)時(shí)間和可用性的影響。通過這個(gè)量化指標(biāo)，可以計(jì)算出當(dāng)前GC情況對(duì)服務(wù)的影響，也能評(píng)估出GC優(yōu)化后對(duì)響應(yīng)時(shí)間的收益，這兩點(diǎn)對(duì)于低延遲服務(wù)很重要。
舉例：假設(shè)單位時(shí)間T內(nèi)發(fā)生一次持續(xù)25ms的GC，接口平均響應(yīng)時(shí)間為50ms，且請(qǐng)求均勻到達(dá)，根據(jù)下圖所示：
擴(kuò)容前：新生代容量為R ，假設(shè)對(duì)象A的存活時(shí)間為750ms，Minor GC間隔500ms，那么本次Minor GC時(shí)間= T1（掃描新生代R）+T2（復(fù)制對(duì)象A到S）。
擴(kuò)容后：新生代容量為2R ，對(duì)象A的生命周期為750ms，那么Minor GC間隔增加為1000ms，此時(shí)Minor GC對(duì)象A已不再存活，不需要把它復(fù)制到Survivor區(qū)，那么本次GC時(shí)間 = 2 × T1（掃描新生代R），沒有T2復(fù)制時(shí)間。
可見，擴(kuò)容后，Minor GC時(shí)增加了T1（掃描時(shí)間），但省去T2（復(fù)制對(duì)象）的時(shí)間，更重要的是對(duì)于虛擬機(jī)來說，復(fù)制對(duì)象的成本要遠(yuǎn)高于掃描成本，所以，單次Minor GC時(shí)間更多取決于GC后存活對(duì)象的數(shù)量，而非Eden區(qū)的大小。因此如果堆中短期對(duì)象很多，那么擴(kuò)容新生代，單次Minor GC時(shí)間不會(huì)顯著增加。下面需要確認(rèn)下服務(wù)中對(duì)象的生命周期分布情況：
調(diào)整后：
解決問題前，先回顧一下CMS的四個(gè)主要階段，以及各個(gè)階段的工作內(nèi)容。下圖展示了CMS各個(gè)階段可以標(biāo)記的對(duì)象，用不同顏色區(qū)分。 1. Init-mark初始標(biāo)記(STW) ，該階段進(jìn)行可達(dá)性分析，標(biāo)記GC ROOT能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象，所以很快。 2. Concurrent-mark并發(fā)標(biāo)記，由前階段標(biāo)記過的綠色對(duì)象出發(fā)，所有可到達(dá)的對(duì)象都在本階段中標(biāo)記。 3. Remark重標(biāo)記(STW) ，暫停所有用戶線程，重新掃描堆中的對(duì)象，進(jìn)行可達(dá)性分析，標(biāo)記活著的對(duì)象。因?yàn)椴l(fā)標(biāo)記階段是和用戶線程并發(fā)執(zhí)行的過程，所以該過程中可能有用戶線程修改某些活躍對(duì)象的字段，指向了一個(gè)未標(biāo)記過的對(duì)象，如下圖中紅色對(duì)象在并發(fā)標(biāo)記開始時(shí)不可達(dá)，但是并行期間引用發(fā)生變化，變?yōu)閷?duì)象可達(dá)，這個(gè)階段需要重新標(biāo)記出此類對(duì)象，防止在下一階段被清理掉，這個(gè)過程也是需要STW的。特別需要注意一點(diǎn)，這個(gè)階段是以新生代中對(duì)象為根來判斷對(duì)象是否存活的。 4. 并發(fā)清理，進(jìn)行并發(fā)的垃圾清理。
如果僅掃描老年代中對(duì)象，即以老年代中對(duì)象為根，判斷對(duì)象是否存在引用，上圖中，對(duì)象A因?yàn)橐么嬖谛律校赗emark階段就不會(huì)被修正標(biāo)記為可達(dá)，GC時(shí)會(huì)被錯(cuò)誤回收。 新生代對(duì)象持有老年代中對(duì)象的引用，這種情況稱為“跨代引用”。因它的存在，Remark階段必須掃描整個(gè)堆來判斷對(duì)象是否存活，包括圖中灰色的不可達(dá)對(duì)象。
灰色對(duì)象已經(jīng)不可達(dá)，但仍然需要掃描的原因：新生代GC和老年代的GC是各自分開獨(dú)立進(jìn)行的，只有Minor GC時(shí)才會(huì)使用根搜索算法，標(biāo)記新生代對(duì)象是否可達(dá)，也就是說雖然一些對(duì)象已經(jīng)不可達(dá)，但在Minor GC發(fā)生前不會(huì)被標(biāo)記為不可達(dá)，CMS也無法辨認(rèn)哪些對(duì)象存活，只能全堆掃描（新生代+老年代）。由此可見堆中對(duì)象的數(shù)目影響了Remark階段耗時(shí)。 分析GC日志可以得出同樣的規(guī)律，Remark耗時(shí)>500ms時(shí)，新生代使用率都在75%以上。這樣降低Remark階段耗時(shí)問題轉(zhuǎn)換成如何減少新生代對(duì)象數(shù)量。
新生代中對(duì)象的特點(diǎn)是“朝生夕滅”，這樣如果Remark前執(zhí)行一次Minor GC，大部分對(duì)象就會(huì)被回收。CMS就采用了這樣的方式，在Remark前增加了一個(gè)可中斷的并發(fā)預(yù)清理（CMS-concurrent-abortable-preclean），該階段主要工作仍然是并發(fā)標(biāo)記對(duì)象是否存活，只是這個(gè)過程可被中斷。此階段在Eden區(qū)使用超過2M時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)然2M是默認(rèn)的閾值，可以通過參數(shù)修改。如果此階段執(zhí)行時(shí)等到了Minor GC，那么上述灰色對(duì)象將被回收，Reamark階段需要掃描的對(duì)象就少了。
除此之外CMS為了避免這個(gè)階段沒有等到Minor GC而陷入無限等待，提供了參數(shù)CMSMaxAbortablePrecleanTime ，默認(rèn)為5s，含義是如果可中斷的預(yù)清理執(zhí)行超過5s，不管發(fā)沒發(fā)生Minor GC，都會(huì)中止此階段，進(jìn)入Remark。 根據(jù)GC日志紅色標(biāo)記2處顯示，可中斷的并發(fā)預(yù)清理執(zhí)行了5.35s，超過了設(shè)置的5s被中斷，期間沒有等到Minor GC ，所以Remark時(shí)新生代中仍然有很多對(duì)象。
對(duì)于這種情況，CMS提供CMSScavengeBeforeRemark參數(shù)，用來保證Remark前強(qiáng)制進(jìn)行一次Minor GC。
經(jīng)過增加CMSScavengeBeforeRemark參數(shù)，單次執(zhí)行時(shí)間>200ms的GC停頓消失，從監(jiān)控上觀察，GCtime和業(yè)務(wù)波動(dòng)保持一致，不再有明顯的毛刺。
卡表的具體策略是將老年代的空間分成大小為512B的若干張卡（card）。卡表本身是單字節(jié)數(shù)組，數(shù)組中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)著一張卡，當(dāng)發(fā)生老年代引用新生代時(shí)，虛擬機(jī)將該卡對(duì)應(yīng)的卡表元素設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹?。如上圖所示，卡表3被標(biāo)記為臟（卡表還有另外的作用，標(biāo)識(shí)并發(fā)標(biāo)記階段哪些塊被修改過），之后Minor GC時(shí)通過掃描卡表就可以很快的識(shí)別哪些卡中存在老年代指向新生代的引用。這樣虛擬機(jī)通過空間換時(shí)間的方式，避免了全堆掃描。
總結(jié)來說，CMS的設(shè)計(jì)聚焦在獲取最短的時(shí)延，為此它“不遺余力”地做了很多工作，包括盡量讓應(yīng)用程序和GC線程并發(fā)、增加可中斷的并發(fā)預(yù)清理階段、引入卡表等，雖然這些操作犧牲了一定吞吐量但獲得了更短的回收停頓時(shí)間。
GC日志如下圖（在GC日志中，F(xiàn)ull GC是用來說明這次垃圾回收的停頓類型，代表STW類型的GC，并不特指老年代GC），根據(jù)GC日志可知本次Full GC耗時(shí)1.23s。這個(gè)在線服務(wù)同樣要求低時(shí)延高可用。本次優(yōu)化目標(biāo)是降低單次STW回收停頓時(shí)間，提高可用性。
首先，什么時(shí)候可能會(huì)觸發(fā)STW的Full GC呢？ 1. Perm空間不足； 2. CMS GC時(shí)出現(xiàn)promotion failed和concurrent mode failure（concurrent mode failure發(fā)生的原因一般是CMS正在進(jìn)行，但是由于老年代空間不足，需要盡快回收老年代里面的不再被使用的對(duì)象，這時(shí)停止所有的線程，同時(shí)終止CMS，直接進(jìn)行Serial Old GC）； 3. 統(tǒng)計(jì)得到的Young GC晉升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空間； 4. 主動(dòng)觸發(fā)Full GC（執(zhí)行jmap -histo:live [pid]）來避免碎片問題。
然后，我們來逐一分析一下： - 排除原因2：如果是原因2中兩種情況，日志中會(huì)有特殊標(biāo)識(shí)，目前沒有。 - 排除原因3：根據(jù)GC日志，當(dāng)時(shí)老年代使用量?jī)H為20%，也不存在大于2G的大對(duì)象產(chǎn)生。 - 排除原因4：因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有相關(guān)命令執(zhí)行。 - 鎖定原因1：根據(jù)日志發(fā)現(xiàn)Full GC后，Perm區(qū)變大了，推斷是由于永久代空間不足容量擴(kuò)展導(dǎo)致的。
找到原因后解決方法有兩種： 1. 通過把-XX:PermSize參數(shù)和-XX:MaxPermSize設(shè)置成一樣，強(qiáng)制虛擬機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候就把永久代的容量固定下來，避免運(yùn)行時(shí)自動(dòng)擴(kuò)容。 2. CMS默認(rèn)情況下不會(huì)回收Perm區(qū)，通過參數(shù)CMSPermGenSweepingEnabled、CMSClassUnloadingEnabled ，可以讓CMS在Perm區(qū)容量不足時(shí)對(duì)其回收。
由于該服務(wù)沒有生成大量動(dòng)態(tài)類，回收Perm區(qū)收益不大，所以我們采用方案1，啟動(dòng)時(shí)將Perm區(qū)大小固定，避免進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)容。
調(diào)整參數(shù)后，服務(wù)不再有Perm區(qū)擴(kuò)容導(dǎo)致的STW GC發(fā)生。
對(duì)于性能要求很高的服務(wù)，建議將MaxPermSize和MinPermSize設(shè)置成一致（JDK8開始，Perm區(qū)完全消失，轉(zhuǎn)而使用元空間。而元空間是直接存在內(nèi)存中，不在JVM中），Xms和Xmx也設(shè)置為相同，這樣可以減少內(nèi)存自動(dòng)擴(kuò)容和收縮帶來的性能損失。虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候就會(huì)把參數(shù)中所設(shè)定的內(nèi)存全部化為私有，即使擴(kuò)容前有一部分內(nèi)存不會(huì)被用戶代碼用到，這部分內(nèi)存在虛擬機(jī)中被標(biāo)識(shí)為虛擬內(nèi)存，也不會(huì)交給其他進(jìn)程使用。
結(jié)合上述GC優(yōu)化案例做個(gè)總結(jié)： 1. 首先再次聲明，在進(jìn)行GC優(yōu)化之前，需要確認(rèn)項(xiàng)目的架構(gòu)和代碼等已經(jīng)沒有優(yōu)化空間。我們不能指望一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)有缺陷或者代碼層次優(yōu)化沒有窮盡的應(yīng)用，通過GC優(yōu)化令其性能達(dá)到一個(gè)質(zhì)的飛躍。 2. 其次，通過上述分析，可以看出虛擬機(jī)內(nèi)部已有很多優(yōu)化來保證應(yīng)用的穩(wěn)定運(yùn)行，所以不要為了調(diào)優(yōu)而調(diào)優(yōu)，不當(dāng)?shù)恼{(diào)優(yōu)可能適得其反。 3. 最后，GC優(yōu)化是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的工作，沒有萬能的調(diào)優(yōu)策略可以滿足所有的性能指標(biāo)。GC優(yōu)化必須建立在我們深入理解各種垃圾回收器的基礎(chǔ)上，才能有事半功倍的效果。
本文中案例均來北京業(yè)務(wù)安全中心（也稱風(fēng)控）對(duì)接服務(wù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)感謝風(fēng)控的小伙伴們，是他們專業(yè)負(fù)責(zé)的審閱，才讓這篇文章更加完善。對(duì)于本文中涉及到的內(nèi)容，歡迎大家指正和補(bǔ)充。
到此，關(guān)于“java應(yīng)用怎么實(shí)現(xiàn)GC優(yōu)化”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！
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