JVM 实践：GC 调优实践

2018-06-13

1. 概要

接着上一篇 blog：

• JVM 实践：GC 原理

2. 主要内容

主要分为 3 个方面：

• 排查工具
• JVM CPU 资源占用过高
• JVM 内存资源占用过高：OOM，OutOfMemoryError

2.1. 排查工具

几个工具，以及简介：

• jps：显示本地有几个 JVM 进程，并获取 pid
  • 命令格式：jps -lvm
• jinfo：运行环境参数，Java System 属性、JVM 命令参数，class path 等
  • 命令格式：jinfo [pid]
• jstat：JVM 运行状态信息，类加载、内存回收等
  • 命令格式：jstat [-class | -gc] [pid] [interval] [count]
• jstack：JVM 进程内部，所有线程的运行情况
  • 命令格式：jstack [pid]
• jmap：JVM 内，堆中存储的对象「堆转存快照」，使用 jhat 命令分析「堆转存快照」
  • 命令格式：jmap [pid]
• 备注：可视化工具 JConsole、VisualVM

详细操作使用，可以参考：

• JVM 实践：jps、jinfo、jstat 命令详解

其中，从上至下，要解决 5 个问题：

1. 有哪些 JVM 实例？ jps
2. JVM 启动参数？jinfo
3. JVM 运行状态（gc 的状态）？ jstat
4. JVM 中，栈？jstack
5. JVM 中，堆？jmap

2.2. CPU 资源占用过高

• 初步分析：
  • 线程「死循环」
  • 线程「死锁」
• 具体定位步骤：（进程 -> 线程 -> 分析 线程上下文）
  • top 命令：Linux 命令，查看实时的 CPU 使用情况，获得 pid
  • top 命令：Linux 命令，top -H -p [pid] 查看进程中线程使用 CPU 的情况，记录 tid
  • jstack 命令：jvm 命令，查看指定进程下，所有线程的调用栈和执行状态
    • 根据 top 命令，获取的 tid（转换为 16 进制）
    • 找出目标线程的调用栈和执行状态
  • 分析「目标线程」调用栈和执行状态，对应到源代码，修复问题

具体 case ，可以参考：

• JVM 实践：jstack对运行的 Thread 进行分析

2.3. 内存占用过高：OOM，OutOfMemoryError

OOM 异常，细分为 3 类：

• java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
• java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
• java.lang.OutOfMemoryError：null

2.3.1. OOM：Java heap space

• 现象：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
• 原因：JVM 堆内存不足，2 类原因：
  • 堆内存设置不够，参数-Xms、-Xmx来调整
  • 内存泄漏：jmap 输出「堆转储快照」，通过工具查看 GC Roots 的引用链，定位出泄漏代码的位置
  • 常见：
    • 业务代码中创建了大量「大对象」，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用），此时，通过 jmap 命令输出「堆转存快照」，分析后，优化业务逻辑（老年代空间不足）
    • 不限长度的队列，一直生产对象，没有消费对象，导致内存溢出

2.3.2. OOM：PermGen space

• 现象：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
• 原因：JVM 「永久代」不足，3 类原因：
  • 「永久代」设置不够，参数 -XX:MaxPermSize 来调整
    • 32位机器默认 64M
    • 64位的机器默认 85M（指针膨胀）
  • 程序启动时，加载大量的第三方jar包
  • ASM（编译期）、CGLib（运行时），等动态代理技术，生成大量的 Class

2.3.3. OOM：null

• 现象：java.lang.OutOfMemoryError：null
• 原因：「直接内存」空间不足
• 分析过程：
  • 检查一下是否使用 Java NIO
• 解决办法：设置「直接内存」大小
  • 默认，跟 Java 堆一样大小，即，参数 -Xmx 的取值
  • MaxDirectMemorySize 设置「直接内存」
  • 注意：约束「直接内存」+「Java 堆」 < 「OS 物理内存」

2.4. 补充

主要补充 3 个方面：

• 直接内存
• 永久代
• JDK 8 的差异

2.4.1. 补充：直接内存

• JVM 中，「直接内存」、Java 堆，之间的关系
  • 直接内存：不属于运行时数据区，不受 Java 堆大小的限制，即，不受-Xmx 限制；
• 如何设置「直接内存」大小？
  • 默认，跟 Java 堆一样大小，即，参数 -Xmx 的取值
  • MaxDirectMemorySize 设置「直接内存」
• 什么时候会使用「直接内存」？
  • JDK 1.4 的 NIO，有一个缓冲区（Buffer），调用 Native 方法，使用的直接内存，减少数据的复制次数
  • JDK 1.7，「方法区」内部的「常量池」，迁移到「直接内存」中
• 「直接内存」的垃圾回收：什么时候进行？如何进行？
  • JVM 会回收「直接内存」
  • 「直接内存」回收，跟 Java 堆的新生代、老年代不同，无法在发现「直接内存」空间不足时，通知垃圾回收器，来回收。
  • 老年代进行 Full GC 时，会顺便清理一下「直接内存」的废弃对象。

2.4.2. 补充：永久代

• 永久代，是否会回收？
  • 永久代，存储「方法区」的内容，主要是「类」和常量、静态变量
  • 其中，「类」占用空间很大，判断「无用的类」，需要同时满足：
  • 类所有的实例都已被回收
  • 加载该类的 ClassLoader 也被回收
  • 类对应的 Class 对象，没有被任何地方引用，主要是无法通过反射获取
• 永久代，什么时候会回收？
  • 参数 -Xnoclassgc 控制是否开启永久代回收
  • 永久代满了，会触发 Full GC，如果 GC 后空间仍然不足，会抛出 OOM: PermGen space
  • 永久代和老年代捆绑在一起，无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集

2.4.3. 补充：JDK8 的差异

• 有哪些差异？
  • 方法区：放在「直接内存」中，永久代的参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize也被移除
  • 永久代：去除「永久代」概念，避免 OOM 问题（因为参数 MaxPermSize 约束了永久代大小）
• 带来的收益？不同？
  • JDK7 中，永久代的最大空间一定得有个指定值，而如果 MaxPermSize 指定不当，就会OOM
    • 「永久代」参数 -XX:MaxPermSize 来调整
      • 32位机器默认 64M
      • 64位的机器默认 85M（指针膨胀）
  • JDK8 中，-XX:MetaspaceSize 和-XX:MaxMetaspaceSize设定「方法区」大小，但如果不指定，Metaspace的 大小仅受限于「直接内存」大小，上限是物理内存大小

3. 讨论问题

讨论过程中，提到的几个问题：

• OutOfMemroryError 什么时候挂掉进程，什么时候不会挂掉？
• MaxDirectMemorySize参数设置的是JVM所能够使用的直接内存的最大值？
• GC 搜索越界：跨代搜索，会全堆扫描，采用 Remembered Set，类似虚拟账本。
  • 1、新生代引用老年代的大对象，发生YGC时，是否会需要搜索老年代（虚拟账本？是否参与GC？），在JVM实现时通过虚拟账本的方式隔绝GC搜索越界；
  • 2、FullGC时，会发生老年代和永久代的GC搜索越界现象；
• FullGC时，对直接内存如何进行GC？
• 反射为什么会导致永久代GC发生难以判断的情况？

关于Remembered Set概念：G1收集器中，Region之间的对象引用，以及其他收集器中的，新生代和老年代之间的对象引用，是使用Remembered Set来避免扫描全堆。G1中每个Region都有一个与之对应的Remembered Set，虚拟机发现程序对Reference类型数据进行写操作时，会产生一个Write Barrier暂时中断写操作，检查Reference引用的对象是否处于不同的Region之间(在分代中例子中就是检查是否老年代中的对象引用了新生代的对象)，如果是便通过CardTable把相关引用信息记录到被引用对象所属的Region的Remembered Set中。当内存回收时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set即可保证不对全局堆扫描也不会有遗漏。

G1虽然保留了CMS关于代的概念，但是代已经不是物理上连续区域，而是一个逻辑的概念。在标记过程中，每个区域的对象活性都被计算，在回收时候，就可以根据用户设置的停顿时间，选择活性较低的区域收集，这样既能保证垃圾回收，又能保证停顿时间，而且也不会降低太多的吞吐量。Remark阶段新算法的运用，以及收集过程中的压缩，都弥补了CMS不足。

建议阅读 2 个资料：

• JVM 实践：GC 的 骗局
• 从实际案例聊聊Java应用的GC优化

4. 参考资料

• 《深入理解 Java 虚拟机— JVM高级特性与最佳实践（第2版）》
• 《实战 Java 虚拟机—JVM故障诊断与性能优化》
• Java Garbage Collection Basics (Oracle)
• Getting Started with the G1 Garbage Collector
• The Java Language Specification Java SE 6\7\8
• The Java Virtual Machine Specification Java SE 6\7\8
• Java 8 移除永久代
• 从实际案例聊聊Java应用的GC优化

原文地址：https://ningg.top/jvm-series-jvm-practice-jvm-gc-practices-tips/