JVM调优 - 理解GC

Posted 2023-02-28 zero13_小葵司

关于JVM调优系列

Hey Guys，我们将开启这个JVM的调优系列，那么什么是JVM调优呢？其实说起来我们能调的东西也不多，因为这个不是让我们去修改JVM的源码或者修改其GC算法，这里主要是去针对生产出现的OOM、卡顿、CPU飙升、假死等情况去排查处理，以及减少排查问题、GC带来的过多性能消耗影响到生产应用的运行。

这个系列我们依然先从基础入手，然后针对各种生产问题，去看看如何排查、定位、解决。

GC

GC就是垃圾回收，试想我们的系统在不断地创建新的对象与引用，这些都会占用内存空间，如果不对不再有用的对象进行清理，内存很快就会占满（OOM），或者一直有线程在不断占用CPU不被释放（CPU飙升）。

到这里，我们已经知道GC要解决的问题以及重要性了，但是通常情况下我们是不是没有太关注GC的问题呢？因为这个在JVM底层都帮我们做了，但是在高性能（高并发、低延迟）的要求下，GC常常是问题很关键的点，那么我们一起来看看吧。

什么是垃圾

要做一件事，我们首先要明确对象是谁，GC是垃圾回收，那么就要确定什么会被JVM定义为垃圾。

垃圾就是不再被引用的对象，那么怎么确定是否有被引用呢？这里有两种主要的方式：

1. reference count：看看这个对象被引用了多少次，引用次数不为0便不回收，好处是执行比较快，坏处是如果出现循环引用会导致无法被回收。JS Python 是这种方式的代表。
2. root searching：从根节点一个一个找是否有引用，java便是这样的。

垃圾回收算法

我们大概讲一下垃圾回收的算法，因为不同的GC类型，基本都是这三种算法的组合与变形。

Mark-Sweep 标记清除

这个算法最简洁快速，但是缺点是碎片化严重，因为我们标记出了这是垃圾后，就直接进行了清除。

Copying 拷贝

这个算法会对内存进行整理，留一半用一半，清理时把非垃圾的整理迁移到空的一半，把垃圾全清掉。
这样的好处是内存连续性，坏处是内存的浪费。

Mark-Compact 标记压缩

对有用的对象进行标记，然后进行整理压缩，再将垃圾进行回收，这在现在的GC重会使用比较多。

GC的模型类型

GC的算法主要就是上面三种，基于上面三种算法衍生出了几大类型以及其不同的实现，那么这些不同的类型与实现到底是在解决什么问题呢？其实他们想要解决的问题也就三大类：

1. Heap 区间的内存占用(堆外辅助内存空间大小)
2. 无 GC 情况下的吞吐量(读写屏障的影响)
3. 延迟停顿(STW 时长)

有没有算法能针对这三点做到我全都要呢？这是比较难的，就像做项目想要又好又快又便宜一样。所以各种做法都在尝试去寻找三者之间的平衡最优解。

分代模型

传统的经典GC都是采用的分代模型，包括JDK 8，如果我们没有做过参数修改，其默认的GC方式Parallel也是分代模型。

分代模型将堆内存分为新生代与老年代，一个对象从创建开始，是如何被分配到新生代与老年代呢？GC又是如何回收这些内存呢？

我们看到比较多的以下类型都是分代模型，他们虽然可以交叉使用，但是一般成对使用，一个针对新生代一个针对老年代：

Serial 收集器、Serial Old 收集器
Parallel Scavenge 收集器、Parallel Old 收集器
ParNew 收集器、CMS 收集器

Parallel

我们以Parallel来讲讲分代模型，因为这是JDK 8 的默认方式。

• 新生代

1. Eden区，一个新建的对象会先进入eden区（这里已经入堆了，如果在栈内便不再被使用，OS直接将其从栈中拿出删除，不需要进行GC）；
2. 如果一个对象过大，直接进入老年期，不进入新生代；
3. 当eden重的对象在扫描时不被引用，则触发GC，如被引用则进入 survivor区；
4. survivor区之间的迁移使用的拷贝算法变种，只拷贝活跃对象；
5. GC发生在新生代区；

• 老年代

6. 前面说的如果过大的新生对象也会直接进入老年代；
7. 当每次扫描时，一个对象被引用，到15代时进入老年代（15代因其代数存储为4bit）；
8. 当老年代满了时，发生FGC；

CMS

CMS是一个承前启后的收集器，前面的收集器都是发生收集时，会停止业务逻辑处理，而CMS是并发处理，但是CMS会有两个严重问题：

1. 浮动垃圾
2. 错标，错标会更严重一些，看起来有点像ABA问题

分代分区模型

分代、分区模型的代表是 Garbage First(G1)，这也是JDK 11的默认GC，虽然其最早出现是在JDK 7。

G1

G1也能并发进行垃圾回收，与CMS相比，其优点如下：

• G1在GC过程中会进行整理内存，不会产生很多内存碎片
• G1的STW更可控，可以指定可期望的GC停顿时间

G1 将 Java 堆空间分割成了若干相同大小的区域，即 region，包括 Eden、Survivor、Old、 Humongous 四种类型。其中，Humongous 是特殊的 Old 类型，专门放置大型对象，在G1中将内存区域划分为多个不连续的区域（Region），每个Region内部是连续的。

在划分的区域中H区（Humongous），这表示这些Region存储的是巨大对象（humongous object，H-obj），大小大于等于region一半的对象。

一个Region的大小可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize复制代码设定，取值范围从1M到32M，且是2的指数。如果不设定，那么G1会根据Heap大小自动决定，JVM 会尽量划分2048个左右、同等大小的 Region。

分区模型

Shenandoah

分区模型的代表是 Shenandoah，Shenandoah 与 G1 有很多相似之处，比如都是基于 Region 的内存布局，都有用于存放大对象的 Humongous Region，默认回收策略也是优先处理回收价值最大的 Region。Shenandoah 使用连接矩阵 (Connection Matrix) 记录跨 Region 的引用关系，替换掉了 G1 中的记忆级 (Remembered Set)。Shenandoah 的内存模型是不分代的。

Shenandoah 主要目标是99.9%停顿小于10ms，暂停与堆大小无关，其发生GC的步骤大致如下：

• Init Mark 启动并发标记。它为堆和应用程序线程准备并发标记，然后扫描根集。这是流程中的第一个暂停，最主要的消耗是根集扫描。因此，其持续时间取决于根集大小。

• Concurrent Marking 遍历堆，并跟踪可访问的对象（三色标记对象）。此阶段与应用程序一起运行，其持续时间取决于活动对象的数量和堆中对象关系的结构。由于应用程序可以在此阶段自由分配新数据，因此在并发标记期间堆占用率会上升。这里主要运用的是SATB（snapshot-at-the-beginning）

• Final Mark 通过清理所有等待的标记，更新队列，重新扫描根设置三个并发的来完成标记。（这里主要是处理一些SATB没有处理完的引用）它还通过确定要撤离的区域（收集集合），预先疏散一些根来初始化疏散，并且通常为下一阶段准备运行时间。这项工作的一部分可以在Concurrent Cleanup阶段同时完成。这是周期中的第二个暂停，这里消耗最主要的时间是清理队列并扫描根集。

• Concurrent Cleanup 回收立即垃圾区域。 即在并发标记之后检测到的没有活动对象的区域。

• Concurrent Evacuation 将对象集合从集合集复制到其他区域。这是与其他OpenJDK GC的主要区别。此阶段再次与应用程序一起运行，因此应用程序可以自由分配。其持续时间取决于为流程选择的集合集的大小。

• Init Update Refs 初始化更新引用阶段。除了确保所有GC和应用程序线程都已完成疏散，然后为下一阶段准备GC之外，它几乎没有任何作用。这是周期中的第三次暂停，最短暂停。

• Concurrent Update References 遍历堆，并更新对并发撤离期间移动的对象的引用。 这是与其他OpenJDK GC的主要区别。 它的持续时间取决于堆中的对象数，但不取决于对象图结构，因为它会线性扫描堆。此阶段与应用程序同时运行。

• Final Update Refs 通过重新更新现有根集来完成更新引用阶段。它还从集合集中回收区域，因为现在堆没有对它们的（陈旧）对象的引用。这是循环中的最后一次暂停，其持续时间取决于根集的大小。

• Concurrent Cleanup 回收集合集区域，现在没有引用。
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但是该方式需要大内存以及较高的CPU占用，可能也会导致发生GC时的吞吐量降低（GC都会有这样的问题）

分层分区模型

ZGC

ZGC是该类型的代表，但是目前还没有成熟应用，而其也因为RSS可能达到堆内存3倍的问题，对于其生产应用有一定的困难。
ZGC是为大内存、多cpu而生，它通过分区的思路来降低STW，但是实际生产运用还需要再观察观察。

下一篇内容

下一篇我们将讲述一下如何进行JVM调优，针对不同问题如何找出其问题并进行优化。