一次线上 JVM Young GC 调优，搞懂了这么多东西！

先说一下基本情况，本次是对线上商品服务的JVM优化。商品服务的访问量非常高，单机QPS在3000左右，线上总共部署了15个商品服务节点。JVM堆内存大小是8G，其中给新生代分配了2G，老年代垃圾回收器采用CMS，新生代垃圾回收器是ParNew。



优化前的状况



首先我们使用 jstat 查看了 GC 的情况。又通过查看GC log，分析了GC 的详细状况。



使用 jstat -gcutil ${pid} 1000 每隔一秒打印一次 GC 统计信息。

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jstat -gcutil 6689 1000





可以看到，单次 Young GC 平均耗时是 60ms 左右，还是不错的，但是Young GC（YGC ）非常频繁，基本上每秒一次，有时还会一秒两次，在一秒两次的时候，Young GC对系统响应的压力就会比较明显。



jstat相关指标说明：



 YGCT：Young GC 总时间，单位为秒

YGC：Young GC 次数

FGCT：Full GC 总时间，单位为秒

FGC：Full GC 次数

GCT：GC 总时间，是 YGCT 和 FGCT 之和



接着查看 GC log，打印 GC log 需要在 JVM 启动参数里添加如下参数：



-XX:+PrintGCDateStamps：打印 GC 发生的时间戳。

-XX:+PrintTenuringDistribution：打印 GC 发生时的代龄信息。

-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime：打印 GC 停顿时长

-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime：打印 GC 间隔的服务运行时长

-XX:+PrintGCDetails：打印 GC 详情，包括 GC 前/内存等。

-Xloggc:../gclogs/gc.log.date：指定 GC log 的路径



GC log 如下





从Log中，我们可以看到 gc 前有很多次 18ms 左右的停顿。



进一步的分析和优化



直接查看 GC log 不太直观，可以借助一些可视化JVM分析工具来帮助我们分析，推荐一款不错的在线分析工具GCeasy，我们把 GC log 上传到https://gceasy.io 后， GCeasy 会根据GC log生成各个维度的图表，让我们更直观的分析JVM问题。



通过查看 GCeasy 生成的图表，我们可以发现JVM的吞吐量是 93%，即 JVM 运行业务代码的时长占 JVM 总运行时长的93%，这个吞吐量确实比较低，运行 100 分钟就有 7 分钟在执行 GC 操作。幸好这些 GC 中绝大多数都是 Young GC，单次GC时长较短时间可控并且频率均匀，所以商品服务还能正常运行。



解决这个问题，可以从三方面入手：减少对象的创建，增大新生代以及调整幸存区。



减少对象创建，本质上不算是JVM调优，而是代码优化，而且需要花大量的时间去撸代码，再逐步优化代码，周期会相当长。所以就暂时作罢了！



调整新生代比例



增大新生代比例。只需要修改JVM参数配置即可，说起来很简单，但是需要多次调整并进行压测，最终找到一个平衡点，在保证Full GC的频次和耗时都在合理范围内的前提下，把Young GC频次降到最低。



有人可能会问：增大新生代比例，会不会导致Young GC的耗时明显增大？虽然降低了GC频次，但是单次GC的耗时却明显增加了，岂不是得不偿失？



首先，我们需要先明确，目前主流的新生代收集器大多采用标记-复制算法，ParNew也一样。研究表明，绝大多数应用场景，新生代中98%的对象生命周期很短，在毫秒级别，基本上被使用一次后就会变成垃圾对象，会在下一次GC时被清理掉。在很多JVM中将堆内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间(下图的S0和S1)，新生对象存放在Eden区。当发生Young GC时，将Eden和当前Survivor中存活的对象一次性复制到另外一块Survivor中，最后整体清理Eden和当前的Survivor空间。每次Young GC时两块Survivor区互相更换。HotSpot虚拟机默认Eden和两块Survivor的大小比例是8:1:1，也就是说每次新生代中可用内存为整个新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的内存会被“浪费”。





现在我们清楚了ParNew回收器采用了标记-复制算法。现在来分析一下ParNew回收器GC耗时和新生代大小的关系。我们知道标记-复制算法分为两个阶段，标记阶段和复制阶段。为了简化问题我们暂且认为标记阶段只扫描新生代的存活对象，其实该阶段还需要扫描部分老年代对象。假设我们要把新生代扩容1.5倍。



• 扩容前：新生代容量为2G，假设某对象A的存活时间为600ms，Young GC间隔500ms，那么本次GC时间 = 扫描新生代时间 + 复制对象时间（Eden和当前Survivor复制到另一个Survivor）。

• 扩容后：新生代容量为3G ，对象A的生命周期为600ms，但是由于新生代扩容了1.5倍，所以Young GC间隔理论上增加到了750ms。此时发生Young GC，对象A已经用完了生命周期，成为了垃圾对象，就不需要把对象A复制到另一个Survivor区了。那么本次GC时间 = 1.5 × 扫描新生代时间，没有增加复制时间。



所以，当扩大新生代容量时，实际上每次GC需要复制的存活对象并不会按照扩容比例递增。容量扩大到1.5倍，增加的存活对象会远小于1.5倍。虽然标记阶段消耗的时间提高到了1.5倍，但是复制阶段耗时并没有明显提高。更重要的是，对于虚拟机来说，复制对象的成本要远高于扫描标记的成本，所以，单次Young GC时间更多取决于存活对象的数量，而非Eden区的大小。所以，如果堆内存中存在大量短生命周期的对象（大部分场景是这样的），那么扩容新生代后，Young GC时间不会显著增加。



经过反复调试和压测后，我们把新生代调整到了2.9G。机器配置所限，整个堆内存大小没变，保持在8G。



分代调整



此外，观察了各代龄的对象数量情况后，对代龄设置也做了调整。



前文提到，当发生Young GC时，会将Eden和当前的Survivor中存活的对象一次性复制到另外一块Survivor中，最后整体清理Eden和当前的Survivor空间。每次Young GC时两块Survivor区会互相更换。存活对象在两块Survivor区之间每交换一次，对象年龄就会增长一岁。直到达到MaxTenuringThreshold设置的年龄（默认是15岁）时，相应的对象就会被转移到老年代。所以为了减少复制成本，MaxTenuringThreshold要尽量合理，不能设置太大，否则有些长寿对象在每次GC时都会在两个Survivor区之间来回复制，无疑是增加了复制阶段的耗时。





看上图，在15个分代中，7岁以上的对象80%都会被转移到老年代（769.02除以980.48 ≈ 80% ）。于是我们把 MaxTenuringThreshold 的值调整为 7，将年龄超过7岁的对象直接转移到老年代。这样就减少了长寿对象在两个 survivor 区之间来回复制带来的性能开销。



偏向锁停顿



我们看到GC log里有很多18ms左右的停顿，虽然每次停顿时间不算长，但频繁的停顿对性能消耗还是比较明显。



这个问题曾经遇到过几次，基本都是偏向锁导致。JDK1.8 之后 JVM 对锁进行了优化，增加了偏向锁。所谓的偏向，就是偏心，偏向锁会偏向于当前已经占有锁的线程 。适合锁竞争不激烈的场景（某个同步块并发不高，很少会出现多线程同时竞争锁的场景）。大概过程如下，获得锁的线程再次获得锁时，会判断偏向锁是否指向自己，如果指向自己，该线程将不用再次获得锁，就可以直接进入同步块，以此来优化性能。当其他线程请求相同的锁时，偏向模式结束。偏向锁的实现就是将对象头的标记设置为偏向，并将线程ID写入对象头。 



在竞争激烈的场景，偏向锁会增加系统负担， 因为每次都要加一次是否偏向的判断。关键是遇到锁竞争时，取消锁的过程需要等待全局安全点（safe point），会导致所有线程暂停，即会发生Stop-The-World。所以在锁竞争激烈的场景下，最好提前关闭掉偏向锁。



在JVM中默认会开启偏向锁，所以我们只需要关闭偏向锁即可：

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-XX:-UseBiasedLocking



最后



经过一轮调整和压测，最终新生代调整到了2.9G，整个堆内存保持8G不变，MaxTenuringThreshold调成了7。新生代增大了将近1.5倍，Young GC 的频率减少了大概1/3。GC 的吞量提高了3.8%，达到了96.8%，。Young GC 平均耗时稍有上升，从60ms上升到了71ms，基本符合预期。另外Full GC 的频率和耗时也在可接受的范围。



调优是个复杂、细致的活儿，要因地制宜。不同的机器、不同的应用、不同的业务场景和不同的访问量级，调优的方式都不同，没有一个固定的模式。做JVM调优之前，建议先了解JVM运行原理，内存模型，GC过程，相关GC回收器回收机制，回收算法。先把基础知识打扎实，再加上耐心和决心才能够真正做好JVM优化，成为JVM高手。



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