作者:京东零售 刘乐

说到 JVM 垃圾回收算法的两个优化标的：吞吐量和停顿时长，并提到这两个优化目标是有冲突的。那么有没有可能提高吞吐量而不影响停顿时长，甚至缩短停顿时长呢？答案是有可能的，提高内存占用（Memory Footprint）就有可能同时优化这两个标的，这篇文章就来聊聊内存相关内容。

内存占用一般指应用运行需要的所有内存，包括堆内内存（On-heap Memory)和堆外内存（Off-heap Memory）

1. 堆内内存

堆内内存是分配给 JVM 的部分内存，用来存放所有 Java Class 对象实例和数组，JVM GC 操作的就是这部分内容。我们先来回顾一下堆内内存的模型：

图 1. 堆内内存

堆内内存包括年轻代（浅绿色），老年代（浅蓝色），在 JDK7 或者更老的版本，图中右边还有个永久代（永久代在逻辑上位于 JVM 的堆区，但又被称为非堆内存，在 JDK8 中被元空间取代）。JVM 有动态调整内存策略，通过-Xms，-Xmx 指定堆内内存动态调整的上下限。 在 JVM 初始化时实际只分配部分内存，可通过-XX:InitialHeapSize 指定初始堆内存大小，未被分配的空间为图中 virtual 部分。年轻代和老年代在每次 GC 的时候都有可能调整大小，以保证存活对象占用百分比在特定阈值范围内，直到达到 Xms 指定的下限或 Xms 指定的上限。（阈值范围通过-XX:MinHeapFreeRatio, XX:MaxHeapFreeRatio 指定，默认值分别为 40， 70）。

GC 调优中还有个的重要参数是老年代和年轻代的比例，通过-XX:NewRatio 设定，与此相关的还有-XX:MaxNewSize 和-XX:NewSize，分别设定年轻代大小的上下限，-Xmn 则直接指定年轻代的大小。

1.1 参数默认值

◦-Xmx: Xmx 的默认值比较复杂，官方文档上有时候写的是 1GB，但实际值跟 JRE 版本、JVM 模式（client, server）和系统（平台类型，32 位，64 位）等都有关。经过查阅源码和实验，确定在生产环境下（server 模式，64 位 Centos，JRE 8），Xmx 的默认值可以采用以下规则计算：

▪容器内存小于等于 2G：默认值为容器内存的 1/2，最小 16MB， 最大 512MB。

▪容器内存大于 2G：默认值为容器内存的 1/4, 最大可到达 32G。

◦-Xms: 默认值为容器内存的 1/64, 最小 8MB，如果明确指定了 Xmx 并且小于容器内存 1/64, Xms 默认值为 Xmx 指定的值。

◦-NewRatio: 默认 2，即年轻代和年老代的比例为 1:2， 年轻代大小为堆内内存的 1/3。

NOTE：在 JRE 版本 1.8.0_131 之前，JVM 无法感知 Docker 的资源限制，Xmx, Xms 未明确指定时，会使用宿主机的内存计算默认值。

1.2 最佳实践

由于每次 Eden 区满就会触发 YGC，而每次 YGC 的时候，晋升到老年代的对象大小超过老年代剩余空间的时候，就会触发 FGC。所以基本来说，GC 频率和堆内内存大小是成反比的，也就是说堆内内存越大，吞吐量越大。

如果 Xmx 设置过小，不仅浪费了容器资源，在大流量下会频繁 GC，导致一系列问题，包括吞吐量降低，响应变长，CPU 升高，java.lang.OutOfMemoryError 异常等。当然 Xmx 也不建议设置过大，否则会导致进程 hang 住或者使用容器 Swap。所以合理设置 Xmx 非常重要，特别是对于 1.8.0_131 之前的版本，一定要明确指定 Xmx。推荐设置为容器内存的 50%，不能超过容器内存的 80%。

JVM 的动态内存策略不太适合服务使用，因为每次 GC 需要计算 Heap 是否需要伸缩，内存抖动需要向系统申请或释放内存，特别是在服务重启的预热阶段，内存抖动会比较频繁。另外，容器中如果有其他进程还在消费内存，JVM 内存抖动时可能申请内存失败，导致 OOM。因此建议服务模式下，将 Xms 设置 Xmx 一样的值。

NewRatio 建议在 2~3 之间，最优选择取决于对象的生命周期分布。一般先确定老年代的空间（足够放下所有 live data，并适当增加 10%~20%)，其余是年轻代，年轻代大小一定要小于老年代。

另外，以上建议都是基于一个容器部署一个 JVM 实例的使用情况。有个别需求，需要在一个容器内启用多个 JVM，或者包含其他语言的，研发需要按业务需求在推荐值范围内分配 JVM 的 Xmx。

2. 堆外内存

和堆内内存对应的就是堆外内存。堆外内存包括很多部分，比如 Code Cache， Memory Pool，Stack Memory，Direct Byte Buffers, Metaspace 等等，其中我们需要重点关注的是 Direct Byte Buffers 和 Metaspace。

2.1 Direct Byte Buffers

Direct Byte Buffers 是系统原生内存，不位于 JVM 里，狭义上的堆外内存就是指的 Direct Byte Buffers。为什么要使用系统原生内存呢? 为了更高效的进行 Socket I/O 或文件读写等内核态资源操作，会使用 JNI（Java 原生接口），此时操作的内存需要是连续和确定的。而 Heap 中的内存不能保证连续，且 GC 也可能导致对象随时移动。因此涉及 Output 操作时，不直接使用 Heap 上的数据，需要先从 Heap 上拷贝到原生内存，Input 操作则相反。因此为了避免多余的拷贝，提高 I/O 效率，不少第三方包和框架使用 Direct Byte Buffers，比 Netty。

Direct Byte Buffers 虽然有上述优点，但使用起来也有一定风险。常见的 Direct Byte Buffers 使用方法是用 java.nio.DirectByteBuffer 的 unsafe.allocateMemory 方法来创建，DirectByteBuffer 对象只保存了系统分配的原生内存的大小和启始位置，这些原生内存的释放需要等到 DirectByteBuffer 对象被回收。有些特殊的情况下（比如 JVM 一直没有 FGC，设置-XX:+DisableExplicitGC 禁用了 System.gc），这部分对象会持续增加，直到堆外内存达到-XX:MaxDirectMemorySize 指定的大小或者耗尽所有的系统内存。

MaxDirectMemorySize 不明确指定的时候，默认值为 0，在代码中实际为 Runtime.getRuntime().maxMemory()，略小于-Xmx 指定的值（堆内内存的最大值减去一个 Survivor 区大小）。此默认值有点过大，MaxDirectMemorySize 未设置或设置过大，有可能发生堆外内存泄露，导致进程被系统 Kill。

由于存在一定风险，建议在启动参数里明确指定-XX:MaxDirectMemorySize 的值，并满足下面规则：

◦Xmx * 110% + MaxDirectMemorySize + 系统预留内存 <= 容器内存

◦Xmx * 110% 中额外的 10%是留给其他堆外内存的，是个保守估计，个别业务运行时线程较多，需自行判断，上式中左侧还需加上 Xss * 线程数

◦系统预留内存 512M 到 1G，视容器规格而定

◦I/O 较多的业务适当提高 MaxDirectMemorySize 比例

2.2 Metaspace

Metaspace（元空间）是 JDK8 关于方法区新的实现，取代之前的永久代，用来保存类、方法、数据结构等运行时信息和元信息的。很多研发在老版本时可能遇到过 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen Space，这说明永久代的空间不够用了，可以通过-XX:PermSize，-XX:MaxPermSize 来指定永久代的初始大小和最大大小。Metaspace 取代永久代，位置由 JVM 内存变成系统原生内存，也取消默认的最大空间限制。与此有关的参数主要有下面两个：

◦-XX:MaxMetaspaceSize 指定元空间的最大空间，默认为容器剩余的所有空间

◦-XX:MetaspaceSize 指定元空间首次扩充的大小，默认为 20.8M

由于 MaxMetaspaceSize 未指定时，默认无上限，所以需要特别关注内存泄露的问题，如果程序动态的创建了很多类，或出现过 java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace，建议明确指定-XX:MaxMetaspaceSize。另外 Metaspace 实际分配的大小是随着需要逐步扩大的，每次扩大需要一次 FGC，-XX:MetaspaceSize 默认的值比较小，需要频繁 GC 扩充到需要的大小。通过下面的日志可以看到 Metaspace 引起的 FGC：

[Full GC (Metadata GC Threshold) ...]

为减少预热影响，可以将-XX:MetaspaceSize，-XX:MaxMetaspaceSize 指定成相同的值。另外不少应用由 JDK7 升级到了 JDK8，但是启动参数中仍有-XX:PermSize，-XX:MaxPermSize，这些参数是不生效的，建议修改成-XX:MetaspaceSize，-XX:MaxMetaspaceSize。

3. 应用健康度检查规则

泰山应用健康度现在已支持扫描 JVM 相关风险，在应用 TAB 的 JVM 配置检测项下。主要包括以下检测：

上一篇文章已经说了 ParallelGCThreads，这里再补充一下新支持的两个检测，ConcGCThreads，CICompilerCount。

ConcGCThreads 一般称为并发标记线程数，为了减少 GC 的 STW 的时间，CMS 和 G1 都有并发标记的过程，此时业务线程仍在工作，只是并发标记是 CPU 密集型任务，业务的吞吐量会下降，RT 会变长。ConcGCThreads 的默认值不同 GC 策略略有不同，CMS 下是(ParallelGCThreads + 3) / 4 向下取整，G1 下是 ParallelGCThreads / 4 四舍五入。一般来说采用默认值就可以了，但是还是由于在 JRE 版本 1.8.0_131 之前，JVM 无法感知 Docker 的资源限制的问题，ConcGCThreads 的默认值会比较大（20 左右），对业务会有影响。

CICompilerCount 是 JIT 进行热点编译的线程数，和并发标记线程数一样，热点编译也是 CPU 密集型任务，默认值为 2。在 CICompilerCountPerCPU 开启的时候（JDK7 默认关闭，JDK8 默认开启），手动指定 CICompilerCount 是不会生效的，JVM 会使用系统 CPU 核数进行计算。所以当使用 JRE8 并且版本小于 1.8.0_131，采用默认参数时，CICompilerCount 会在 20 左右，对业务性能影响较大，特别是启动阶段。建议升级 Java 版本，特殊情况要使用老版本 Java 8，请加上-XX:CICompilerCount=[n], 同时不能指定-XX:+CICompilerCountPerCPU ，下表给出了生产环境下常见规格的推荐值。

4. 修改建议

1） 再次建议升级 JRE 版本到 1.8.0_191 及以上； 2） 建议在 Shell 脚本中，Export JAVA_OPTS 环境变量, 至少包含以下几项(方括号中的值根据文中推荐选取)：

-server -Xms[8192m] -Xmx[8192m] -XX:MaxDirectMemorySize=[4096m]

如果特殊原因要使用 1.8.0_131 以下版本， 则同时需要加上以下参数(方括号中的值根据文中推荐选取)：

-XX:ParallelGCThreads=[8] -XX:ConcGCThreads=[2] -XX:CICompilerCount=[2]

下面的项建议测试后使用，需自行确定具体大小（特别是使用 JRE8 但仍配置-XX:PermSize，-XX:MaxPermSize 的应用）：

-XX:MaxMetaspaceSize=256m -XX:MetaspaceSize=256m

环境变量设置如下例子：

export JAVA_OPTS="-Djava.library.path=/usr/local/lib -server -Xms4096m -Xmx4096m -XX:MaxMetaspaceSize=512m -XX:MetaspaceSize=512m -XX:MaxDirectMemorySize=2048m -XX:ParallelGCThreads=8 -XX:ConcGCThreads=2 -XX:CICompilerCount=2 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/export/Logs -XX:+UseG1GC [other_options...] -jar jarfile [args...]"

另外，如果应用未接入 UMP 或 PFinder， JAVA_OPTS 中尽量不要用 Shell 函数或者变量，否则健康度有可能会提示解析失败。

NOTE: Java options 的使用应该按照下面的顺序：

◦执行类： java [-options] class [args...]

◦执行包：java [-options] -jar jarfile [args...] 或 java -jar [-options] jarfile [args...]

即 options 要放到执行对象之前，部分应用使用了以下顺序：

java -jar jarfile [-options] [args...] 或者 java -jar jarfile [args...] [-options]

这些 Java options 都不会生效。