本文介紹 GC 基礎(chǔ)原理和理論，GC 調(diào)優(yōu)方法思路和方法，基于 Hotspot jdk1.8，學(xué)習(xí)之后你將了解如何對生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)的 GC 問題進(jìn)行排查解決。

內(nèi)容主要如下：

GC 基礎(chǔ)原理，涉及調(diào)優(yōu)目標(biāo)，GC 事件分類、JVM 內(nèi)存分配策略、GC 日志分析等。
CMS 原理及調(diào)優(yōu)。
G1 原理及調(diào)優(yōu)。
GC 問題排查和解決思路。

GC 基礎(chǔ)原理

GC 調(diào)優(yōu)目標(biāo)

大多數(shù)情況下對 Java 程序進(jìn)行 GC 調(diào)優(yōu)，主要關(guān)注兩個(gè)目標(biāo)：

響應(yīng)速度（Responsiveness）：響應(yīng)速度指程序或系統(tǒng)對一個(gè)請求的響應(yīng)有多迅速。 比如，用戶訂單查詢響應(yīng)時(shí)間，對響應(yīng)速度要求很高的系統(tǒng)，較大的停頓時(shí)間是不可接受的。調(diào)優(yōu)的重點(diǎn)是在短的時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)。
吞吐量（Throughput）：吞吐量關(guān)注在一個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)的大工作量。 例如每小時(shí)批處理系統(tǒng)能完成的任務(wù)數(shù)量，在吞吐量方面優(yōu)化的系統(tǒng)，較長的 GC 停頓時(shí)間也是可以接受的，因?yàn)楦咄掏铝繎?yīng)用更關(guān)心的是如何盡可能快地完成整個(gè)任務(wù)，不考慮快速響應(yīng)用戶請求。

GC 調(diào)優(yōu)中，GC 導(dǎo)致的應(yīng)用暫停時(shí)間影響系統(tǒng)響應(yīng)速度，GC 處理線程的 CPU 使用率影響系統(tǒng)吞吐量。

GC 分代收集算法

現(xiàn)代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，其主要思想： 將 Java 的堆內(nèi)存邏輯上分成兩塊：新生代、老年代，針對不同存活周期、不同大小的對象采取不同的垃圾回收策略。

新生代（Young Generation）

新生代又叫年輕代，大多數(shù)對象在新生代中被創(chuàng)建，很多對象的生命周期很短。

每次新生代的垃圾回收（又稱 Young GC、Minor GC、YGC）后只有少量對象存活，所以使用復(fù)制算法，只需少量的復(fù)制操作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)（S0、S1，又稱From Survivor、To Survivor），大部分對象在 Eden 區(qū)中生成。

當(dāng) Eden 區(qū)滿時(shí)，還存活的對象將被復(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到老年代條件的對象將被復(fù)制到另外一個(gè) Survivor 區(qū)。

對象每經(jīng)歷一次復(fù)制，年齡加 1，達(dá)到晉升年齡閾值后，轉(zhuǎn)移到老年代。

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象，就會被放到老年代，該區(qū)域中對象存活率高。老年代的垃圾回收通常使用“標(biāo)記-整理”算法。

GC 事件分類

根據(jù)垃圾收集回收的區(qū)域不同，垃圾收集主要分為：

Young GC
Old GC
Full GC
Mixed GC

①Young GC

新生代內(nèi)存的垃圾收集事件稱為 Young GC（又稱 Minor GC），當(dāng) JVM 無法為新對象分配在新生代內(nèi)存空間時(shí)總會觸發(fā) Young GC。

比如 Eden 區(qū)占滿時(shí)，新對象分配頻率越高，Young GC 的頻率就越高。

Young GC 每次都會引起全線停頓（Stop-The-World），暫停所有的應(yīng)用線程，停頓時(shí)間相對老年代 GC 造成的停頓，幾乎可以忽略不計(jì)。

②Old GC 、Full GC、Mixed GC

Old GC：只清理老年代空間的 GC 事件，只有 CMS 的并發(fā)收集是這個(gè)模式。

Full GC：清理整個(gè)堆的 GC 事件，包括新生代、老年代、元空間等 。

Mixed GC：清理整個(gè)新生代以及部分老年代的 GC，只有 G1 有這個(gè)模式。

GC 日志分析

GC 日志是一個(gè)很重要的工具，它準(zhǔn)確記錄了每一次的 GC 的執(zhí)行時(shí)間和執(zhí)行結(jié)果，通過分析 GC 日志可以調(diào)優(yōu)堆設(shè)置和 GC 設(shè)置，或者改進(jìn)應(yīng)用程序的對象分配模式。

開啟的 JVM 啟動參數(shù)如下：

-verbose:gc-XX:+PrintGCDetails-XX:+PrintGCDateStamps-XX:+PrintGCTimeStamps

常見的 Young GC、Full GC 日志含義如下：

免費(fèi)的 GC 日志圖形分析工具推薦下面 2 個(gè)：

GCViewer，下載 jar 包直接運(yùn)行 。
gceasy，Web 工具，上傳 GC 日志在線使用。

內(nèi)存分配策略

Java 提供的自動內(nèi)存管理，可以歸結(jié)為解決了對象的內(nèi)存分配和回收的問題。

前面已經(jīng)介紹了內(nèi)存回收，下面介紹幾條普遍的內(nèi)存分配策略：

①對象優(yōu)先在 Eden 區(qū)分配：大多數(shù)情況下，對象在先新生代 Eden 區(qū)中分配。當(dāng) Eden 區(qū)沒有足夠空間進(jìn)行分配時(shí)，虛擬機(jī)將發(fā)起一次 Young GC。

②大對象之間進(jìn)入老年代：JVM 提供了一個(gè)對象大小閾值參數(shù)（-XX:PretenureSizeThreshold，默認(rèn)值為 0，代表不管多大都是先在 Eden 中分配內(nèi)存）。

大于參數(shù)設(shè)置的閾值值的對象直接在老年代分配，這樣可以避免對象在 Eden 及兩個(gè) Survivor 直接發(fā)生大內(nèi)存復(fù)制。

③長期存活的對象將進(jìn)入老年代：對象每經(jīng)歷一次垃圾回收，且沒被回收掉，它的年齡就增加 1，大于年齡閾值參數(shù)（-XX:MaxTenuringThreshold，默認(rèn) 15）的對象，將晉升到老年代中。

④空間分配擔(dān)保：當(dāng)進(jìn)行 Young GC 之前，JVM 需要預(yù)估：老年代是否能夠容納 Young GC 后新生代晉升到老年代的存活對象，以確定是否需要提前觸發(fā) GC 回收老年代空間，基于空間分配擔(dān)保策略來計(jì)算。

continueSize，老年代大可用連續(xù)空間：

Young GC 之后如果成功（Young GC 后晉升對象能放入老年代），則代表擔(dān)保成功，不用再進(jìn)行 Full GC，提高性能。

如果失敗，則會出現(xiàn)“promotion failed”錯(cuò)誤，代表擔(dān)保失敗，需要進(jìn)行 Full GC。

⑤動態(tài)年齡判定：新生代對象的年齡可能沒達(dá)到閾值（MaxTenuringThreshold 參數(shù)指定）就晉升老年代。

如果 Young GC 之后，新生代存活對象達(dá)到相同年齡所有對象大小的總和大于任意 Survivor 空間（S0+S1空間）的一半，此時(shí) S0 或者 S1 區(qū)即將容納不了存活的新生代對象。

年齡大于或等于該年齡的對象就可以直接進(jìn)入老年代，無須等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年齡。

另外，如果 Young GC 后 S0 或 S1 區(qū)不足以容納：未達(dá)到晉升老年代條件的新生代存活對象，會導(dǎo)致這些存活對象直接進(jìn)入老年代，需要盡量避免。

CMS 原理及調(diào)優(yōu)

名詞解釋

可達(dá)性分析算法：用于判斷對象是否存活，基本思想是通過一系列稱為“GC Root”的對象作為起點(diǎn)（常見的 GC Root 有系統(tǒng)類加載器、棧中的對象、處于激活狀態(tài)的線程等），基于對象引用關(guān)系，從 GC Roots 開始向下搜索，所走過的路徑稱為引用鏈，當(dāng)一個(gè)對象到 GC Root 沒有引用鏈相連，證明對象不再存活。

Stop The World：GC 過程中分析對象引用關(guān)系，為了保障分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要通過停頓所有 Java 執(zhí)行線程，保證引用關(guān)系不再動態(tài)變化，該停頓事件稱為 Stop The World（STW）。

Safepoint：代碼執(zhí)行過程中的一些特殊位置，當(dāng)線程執(zhí)行到這些位置的時(shí)候，說明虛擬機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)是安全的，如果有需要 GC，線程可以在這個(gè)位置暫停。

HotSpot 采用主動中斷的方式，讓執(zhí)行線程在運(yùn)行期輪詢是否需要暫停的標(biāo)志，若需要則中斷掛起。

CMS 簡介

CMS（Concurrent Mark and Sweep 并發(fā)-標(biāo)記-清除），是一款基于并發(fā)、使用標(biāo)記清除算法的垃圾回收算法，只針對老年代進(jìn)行垃圾回收。

CMS 收集器工作時(shí)，盡可能讓 GC 線程和用戶線程并發(fā)執(zhí)行，以達(dá)到降低 STW 時(shí)間的目的。

通過以下命令行參數(shù)，啟用 CMS 垃圾收集器：

-XX:+UseConcMarkSweepGC

值得補(bǔ)充的是，下面介紹到的 CMS GC 是指老年代的 GC，而 Full GC 指的是整個(gè)堆的 GC 事件，包括新生代、老年代、元空間等，兩者有所區(qū)分。

新生代垃圾回收

能與 CMS 搭配使用的新生代垃圾收集器有 Serial 收集器和 ParNew 收集器。

這 2 個(gè)收集器都采用標(biāo)記復(fù)制算法，都會觸發(fā) STW 事件，停止所有的應(yīng)用線程。不同之處在于，Serial 是單線程執(zhí)行，ParNew 是多線程執(zhí)行。

老年代垃圾回收

CMS GC 以獲取小停頓時(shí)間為目的，盡可能減少 STW 時(shí)間，可以分為 7 個(gè)階段：

階段 1：初始標(biāo)記（Initial Mark）

此階段的目標(biāo)是標(biāo)記老年代中所有存活的對象, 包括 GC Root 的直接引用, 以及由新生代中存活對象所引用的對象，觸發(fā)第一次 STW 事件。

這個(gè)過程是支持多線程的（JDK7 之前單線程，JDK8 之后并行，可通過參數(shù) CMSParallelInitialMarkEnabled 調(diào)整）。

階段 2：并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Mark）

此階段 GC 線程和應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行，遍歷階段 1 初始標(biāo)記出來的存活對象，然后繼續(xù)遞歸標(biāo)記這些對象可達(dá)的對象。

階段 3：并發(fā)預(yù)清理（Concurrent Preclean）

此階段 GC 線程和應(yīng)用線程也是并發(fā)執(zhí)行，因?yàn)殡A段 2 是與應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行，可能有些引用關(guān)系已經(jīng)發(fā)生改變。

通過卡片標(biāo)記（Card Marking），提前把老年代空間邏輯劃分為相等大小的區(qū)域（Card）。

如果引用關(guān)系發(fā)生改變，JVM 會將發(fā)生改變的區(qū)域標(biāo)記為“臟區(qū)”（Dirty Card），然后在本階段，這些臟區(qū)會被找出來，刷新引用關(guān)系，清除“臟區(qū)”標(biāo)記。

階段 4：并發(fā)可取消的預(yù)清理（Concurrent Abortable Preclean）

此階段也不停止應(yīng)用線程。本階段嘗試在 STW 的最終標(biāo)記階段（Final Remark）之前盡可能地多做一些工作，以減少應(yīng)用暫停時(shí)間。

在該階段不斷循環(huán)處理：標(biāo)記老年代的可達(dá)對象、掃描處理 Dirty Card 區(qū)域中的對象，循環(huán)的終止條件有：

達(dá)到循環(huán)次數(shù)
達(dá)到循環(huán)執(zhí)行時(shí)間閾值
新生代內(nèi)存使用率達(dá)到閾值

階段 5：最終標(biāo)記（Final Remark）

這是 GC 事件中第二次（也是最后一次）STW 階段，目標(biāo)是完成老年代中所有存活對象的標(biāo)記。

在此階段執(zhí)行：

遍歷新生代對象，重新標(biāo)記
根據(jù) GC Roots，重新標(biāo)記
遍歷老年代的 Dirty Card，重新標(biāo)記

階段 6：并發(fā)清除（Concurrent Sweep）

此階段與應(yīng)用程序并發(fā)執(zhí)行，不需要 STW 停頓，根據(jù)標(biāo)記結(jié)果清除垃圾對象。

階段 7：并發(fā)重置（Concurrent Reset）

此階段與應(yīng)用程序并發(fā)執(zhí)行，重置 CMS 算法相關(guān)的內(nèi)部數(shù)據(jù), 為下一次 GC 循環(huán)做準(zhǔn)備。

CMS 常見問題

①最終標(biāo)記階段停頓時(shí)間過長問題

CMS 的 GC 停頓時(shí)間約 80% 都在最終標(biāo)記階段（Final Remark），若該階段停頓時(shí)間過長，常見原因是新生代對老年代的無效引用，在上一階段的并發(fā)可取消預(yù)清理階段中，執(zhí)行閾值時(shí)間內(nèi)未完成循環(huán)，來不及觸發(fā) Young GC，清理這些無效引用。

通過添加參數(shù)：-XX:+CMSScavengeBeforeRemark。

在執(zhí)行最終操作之前先觸發(fā) Young GC，從而減少新生代對老年代的無效引用，降低最終標(biāo)記階段的停頓。

但如果在上個(gè)階段（并發(fā)可取消的預(yù)清理）已觸發(fā) Young GC，也會重復(fù)觸發(fā) Young GC。

②并發(fā)模式失?。╟oncurrent mode failure）&晉升失?。╬romotion failed）問題。

并發(fā)模式失?。寒?dāng) CMS 在執(zhí)行回收時(shí)，新生代發(fā)生垃圾回收，同時(shí)老年代又沒有足夠的空間容納晉升的對象時(shí)，CMS 垃圾回收就會退化成單線程的 Full GC。所有的應(yīng)用線程都會被暫停，老年代中所有的無效對象都被回收。

晉升失?。寒?dāng)新生代發(fā)生垃圾回收，老年代有足夠的空間可以容納晉升的對象，但是由于空閑空間的碎片化，導(dǎo)致晉升失敗，此時(shí)會觸發(fā)單線程且?guī)嚎s動作的 Full GC。

并發(fā)模式失敗和晉升失敗都會導(dǎo)致長時(shí)間的停頓，常見解決思路如下：

降低觸發(fā) CMS GC 的閾值。 即參數(shù) -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 的值，讓 CMS GC 盡早執(zhí)行，以保證有足夠的空間。
增加 CMS 線程數(shù)，即參數(shù) -XX:ConcGCThreads。
增大老年代空間。
讓對象盡量在新生代回收，避免進(jìn)入老年代。

③內(nèi)存碎片問題

通常 CMS 的 GC 過程基于標(biāo)記清除算法，不帶壓縮動作，導(dǎo)致越來越多的內(nèi)存碎片需要壓縮。

常見以下場景會觸發(fā)內(nèi)存碎片壓縮：

新生代 Young GC 出現(xiàn)新生代晉升擔(dān)保失?。╬romotion failed)）
程序主動執(zhí)行System.gc

可通過參數(shù) CMSFullGCsBeforeCompaction 的值，設(shè)置多少次 Full GC 觸發(fā)一次壓縮。

默認(rèn)值為 0，代表每次進(jìn)入 Full GC 都會觸發(fā)壓縮，帶壓縮動作的算法為上面提到的單線程 Serial Old 算法，暫停時(shí)間（STW）時(shí)間挺長，需要盡可能減少壓縮時(shí)間。

G1 原理及調(diào)優(yōu)

G1 簡介

G1（Garbage-First）是一款面向服務(wù)器的垃圾收集器，支持新生代和老年代空間的垃圾收集，主要針對配備多核處理器及大容量內(nèi)存的機(jī)器。

G1 主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)可預(yù)期及可配置的 STW 停頓時(shí)間。

G1 堆空間劃分

①Region

為實(shí)現(xiàn)大內(nèi)存空間的低停頓時(shí)間的回收，將劃分為多個(gè)大小相等的 Region。每個(gè)小堆區(qū)都可能是 Eden 區(qū)，Survivor 區(qū)或者 Old 區(qū)，但是在同一時(shí)刻只能屬于某個(gè)代。

在邏輯上, 所有的 Eden 區(qū)和 Survivor 區(qū)合起來就是新生代，所有的 Old 區(qū)合起來就是老年代，且新生代和老年代各自的內(nèi)存 Region 區(qū)域由 G1 自動控制，不斷變動。

②巨型對象

當(dāng)對象大小超過 Region 的一半，則認(rèn)為是巨型對象（Humongous Object），直接被分配到老年代的巨型對象區(qū)（Humongous Regions）。

這些巨型區(qū)域是一個(gè)連續(xù)的區(qū)域集，每一個(gè) Region 中最多有一個(gè)巨型對象，巨型對象可以占多個(gè) Region。

G1 把堆內(nèi)存劃分成一個(gè)個(gè) Region 的意義在于：

每次 GC 不必都去處理整個(gè)堆空間，而是每次只處理一部分 Region，實(shí)現(xiàn)大容量內(nèi)存的 GC。
通過計(jì)算每個(gè) Region 的回收價(jià)值，包括回收所需時(shí)間、可回收空間，在有限時(shí)間內(nèi)盡可能回收更多的垃圾對象，把垃圾回收造成的停頓時(shí)間控制在預(yù)期配置的時(shí)間范圍內(nèi)，這也是 G1 名稱的由來：Garbage-First。

G1工作模式

針對新生代和老年代，G1 提供 2 種 GC 模式，Young GC 和 Mixed GC，兩種會導(dǎo)致 Stop The World。

Young GC：當(dāng)新生代的空間不足時(shí)，G1 觸發(fā) Young GC 回收新生代空間。

Young GC 主要是對 Eden 區(qū)進(jìn)行 GC，它在 Eden 空間耗盡時(shí)觸發(fā)，基于分代回收思想和復(fù)制算法，每次 Young GC 都會選定所有新生代的 Region。

同時(shí)計(jì)算下次 Young GC 所需的 Eden 區(qū)和 Survivor 區(qū)的空間，動態(tài)調(diào)整新生代所占 Region 個(gè)數(shù)來控制 Young GC 開銷。

Mixed GC：當(dāng)老年代空間達(dá)到閾值會觸發(fā) Mixed GC，選定所有新生代里的 Region，根據(jù)全局并發(fā)標(biāo)記階段(下面介紹到)統(tǒng)計(jì)得出收集收益高的若干老年代 Region。

在用戶指定的開銷目標(biāo)范圍內(nèi)，盡可能選擇收益高的老年代 Region 進(jìn)行 GC，通過選擇哪些老年代 Region 和選擇多少 Region 來控制 Mixed GC 開銷。

全局并發(fā)標(biāo)記

全局并發(fā)標(biāo)記主要是為 Mixed GC 計(jì)算找出回收收益較高的 Region 區(qū)域，具體分為 5 個(gè)階段：

階段 1：初始標(biāo)記（Initial Mark）

暫停所有應(yīng)用線程（STW），并發(fā)地進(jìn)行標(biāo)記從 GC Root 開始直接可達(dá)的對象（原生棧對象、全局對象、JNI 對象）。

當(dāng)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，G1 并不會立即發(fā)起并發(fā)標(biāo)記周期，而是等待下一次新生代收集，利用新生代收集的 STW 時(shí)間段，完成初始標(biāo)記，這種方式稱為借道（Piggybacking）。

階段 2：根區(qū)域掃描（Root Region Scan）

在初始標(biāo)記暫停結(jié)束后，新生代收集也完成的對象復(fù)制到 Survivor 的工作，應(yīng)用線程開始活躍起來。

此時(shí)為了保證標(biāo)記算法的正確性，所有新復(fù)制到 Survivor 分區(qū)的對象，需要找出哪些對象存在對老年代對象的引用，把這些對象標(biāo)記成根（Root）。

這個(gè)過程稱為根分區(qū)掃描（Root Region Scanning），同時(shí)掃描的 Suvivor 分區(qū)也被稱為根分區(qū)（Root Region）。

根分區(qū)掃描必須在下一次新生代垃圾收集啟動前完成（接下來并發(fā)標(biāo)記的過程中，可能會被若干次新生代垃圾收集打斷），因?yàn)槊看?GC 會產(chǎn)生新的存活對象集合。

階段 3：并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking）

標(biāo)記線程與應(yīng)用程序線程并行執(zhí)行，標(biāo)記各個(gè)堆中 Region 的存活對象信息，這個(gè)步驟可能被新的 Young GC 打斷。

所有的標(biāo)記任務(wù)必須在堆滿前就完成掃描，如果并發(fā)標(biāo)記耗時(shí)很長，那么有可能在并發(fā)標(biāo)記過程中，又經(jīng)歷了幾次新生代收集。

階段 4：再次標(biāo)記（Remark）

和 CMS 類似暫停所有應(yīng)用線程（STW），以完成標(biāo)記過程短暫地停止應(yīng)用線程, 標(biāo)記在并發(fā)標(biāo)記階段發(fā)生變化的對象，和所有未被標(biāo)記的存活對象，同時(shí)完成存活數(shù)據(jù)計(jì)算。

階段 5：清理（Cleanup）

為即將到來的轉(zhuǎn)移階段做準(zhǔn)備, 此階段也為下一次標(biāo)記執(zhí)行所有必需的整理計(jì)算工作：

整理更新每個(gè) Region 各自的 RSet（Remember Set，HashMap 結(jié)構(gòu)，記錄有哪些老年代對象指向本 Region，key 為指向本 Region 的對象的引用，value 為指向本 Region 的具體 Card 區(qū)域，通過 RSet 可以確定 Region 中對象存活信息，避免全堆掃描）。
回收不包含存活對象的 Region。
統(tǒng)計(jì)計(jì)算回收收益高（基于釋放空間和暫停目標(biāo)）的老年代分區(qū)集合。

G1調(diào)優(yōu)注意點(diǎn)

①Full GC 問題

G1 的正常處理流程中沒有 Full GC，只有在垃圾回收處理不過來（或者主動觸發(fā)）時(shí)才會出現(xiàn)，G1 的 Full GC 就是單線程執(zhí)行的 Serial old gc，會導(dǎo)致很長的 STW，是調(diào)優(yōu)的重點(diǎn)，需要盡量避免 Full GC。

常見原因如下：

程序主動執(zhí)行 System.gc
全局并發(fā)標(biāo)記期間老年代空間被填滿（并發(fā)模式失敗）
Mixed GC 期間老年代空間被填滿（晉升失?。?br /> Young GC 時(shí) Survivor 空間和老年代沒有足夠空間容納存活對象

類似 CMS，常見的解決是：

增大 -XX:ConcGCThreads=n 選項(xiàng)增加并發(fā)標(biāo)記線程的數(shù)量，或者 STW 期間并行線程的數(shù)量：-XX:ParallelGCThreads=n。
減小 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 提前啟動標(biāo)記周期。
增大預(yù)留內(nèi)存 -XX:G1ReservePercent=n，默認(rèn)值是 10，代表使用 10% 的堆內(nèi)存為預(yù)留內(nèi)存，當(dāng) Survivor 區(qū)域沒有足夠空間容納新晉升對象時(shí)會嘗試使用預(yù)留內(nèi)存。

②巨型對象分配

巨型對象區(qū)中的每個(gè) Region 中包含一個(gè)巨型對象，剩余空間不再利用，導(dǎo)致空間碎片化，當(dāng) G1 沒有合適空間分配巨型對象時(shí)，G1 會啟動串行 Full GC 來釋放空間。

可以通過增加 -XX:G1HeapRegionSize 來增大 Region 大小，這樣一來，相當(dāng)一部分的巨型對象就不再是巨型對象了，而是采用普通的分配方式。

③不要設(shè)置 Young 區(qū)的大小

原因是為了盡量滿足目標(biāo)停頓時(shí)間，邏輯上的 Young 區(qū)會進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。如果設(shè)置了大小，則會覆蓋掉并且會禁用掉對停頓時(shí)間的控制。

④平均響應(yīng)時(shí)間設(shè)置

使用應(yīng)用的平均響應(yīng)時(shí)間作為參考來設(shè)置 MaxGCPauseMillis，JVM 會盡量去滿足該條件，可能是 90% 的請求或者更多的響應(yīng)時(shí)間在這之內(nèi)， 但是并不代表是所有的請求都能滿足，平均響應(yīng)時(shí)間設(shè)置過小會導(dǎo)致頻繁 GC。

調(diào)優(yōu)方法與思路

如何分析系統(tǒng) JVM GC 運(yùn)行狀況及合理優(yōu)化？

GC 優(yōu)化的核心思路在于：盡可能讓對象在新生代中分配和回收，盡量避免過多對象進(jìn)入老年代，導(dǎo)致對老年代頻繁進(jìn)行垃圾回收，同時(shí)給系統(tǒng)足夠的內(nèi)存減少新生代垃圾回收次數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析和優(yōu)化也是圍繞著這個(gè)思路展開。

分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀況

分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀況：

系統(tǒng)每秒請求數(shù)、每個(gè)請求創(chuàng)建多少對象，占用多少內(nèi)存。
Young GC 觸發(fā)頻率、對象進(jìn)入老年代的速率。
老年代占用內(nèi)存、Full GC 觸發(fā)頻率、Full GC 觸發(fā)的原因、長時(shí)間 Full GC 的原因。

常用工具如下：

jstat：JVM自帶命令行工具，可用于統(tǒng)計(jì)內(nèi)存分配速率、GC 次數(shù)，GC 耗時(shí)。

常用命令格式：

jstat -gc<pid><統(tǒng)計(jì)間隔時(shí)間><統(tǒng)計(jì)次數(shù)>

輸出返回值代表含義如下：

例如：jstat -gc 32683 1000 10，統(tǒng)計(jì) pid=32683 的進(jìn)程，每秒統(tǒng)計(jì) 1 次，統(tǒng)計(jì) 10 次。

jmap：JVM自帶命令行工具，可用于了解系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的對象分布。

常用命令格式如下：

// 命令行輸出類名、類數(shù)量數(shù)量，類占用內(nèi)存大小，

// 按照類占用內(nèi)存大小降序排列

jmap -histo <pid>

// 生成堆內(nèi)存轉(zhuǎn)儲快照，在當(dāng)前目錄下導(dǎo)出dump.hrpof的二進(jìn)制文件，

// 可以用eclipse的MAT圖形化工具分析

jmap -dump:live,format=b,file=dump.hprof <pid>

jinfo，命令格式：

jinfo<pid>

用來查看正在運(yùn)行的 Java 應(yīng)用程序的擴(kuò)展參數(shù)，包括 Java System 屬性和 JVM 命令行參數(shù)。

其他 GC 工具：

監(jiān)控告警系統(tǒng)：Zabbix、Prometheus、Open-Falcon
jdk 自動實(shí)時(shí)內(nèi)存監(jiān)控工具：VisualVM
堆外內(nèi)存監(jiān)控：Java VisualVM 安裝 Buffer Pools 插件、google perf工具、Java NMT（Native Memory Tracking）工具
GC 日志分析：GCViewer、gceasy
GC 參數(shù)檢查和優(yōu)化：http://xxfox.perfma.com/

GC 優(yōu)化案例

①數(shù)據(jù)分析平臺系統(tǒng)頻繁 Full GC

平臺主要對用戶在 App 中行為進(jìn)行定時(shí)分析統(tǒng)計(jì)，并支持報(bào)表導(dǎo)出，使用 CMS GC 算法。

數(shù)據(jù)分析師在使用中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頁面打開經(jīng)常卡頓，通過 jstat 命令發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)每次 Young GC 后大約有 10% 的存活對象進(jìn)入老年代。

原來是因?yàn)?Survivor 區(qū)空間設(shè)置過小，每次 Young GC 后存活對象在 Survivor 區(qū)域放不下，提前進(jìn)入老年代。

通過調(diào)大 Survivor 區(qū)，使得 Survivor 區(qū)可以容納 Young GC 后存活對象，對象在 Survivor 區(qū)經(jīng)歷多次 Young GC 達(dá)到年齡閾值才進(jìn)入老年代。

調(diào)整之后每次 Young GC 后進(jìn)入老年代的存活對象穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)僅幾百 Kb，F(xiàn)ull GC 頻率大大降低。

②業(yè)務(wù)對接網(wǎng)關(guān) OOM

網(wǎng)關(guān)主要消費(fèi) Kafka 數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算然后轉(zhuǎn)發(fā)到另外的 Kafka 隊(duì)列，系統(tǒng)運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)候出現(xiàn) OOM，重啟系統(tǒng)幾個(gè)小時(shí)之后又 OOM。

通過 jmap 導(dǎo)出堆內(nèi)存，在 eclipse MAT 工具分析才找出原因：代碼中將某個(gè)業(yè)務(wù) Kafka 的 topic 數(shù)據(jù)進(jìn)行日志異步打印，該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較大，大量對象堆積在內(nèi)存中等待被打印，導(dǎo)致 OOM。

③賬號權(quán)限管理系統(tǒng)頻繁長時(shí)間 Full GC

系統(tǒng)對外提供各種賬號鑒權(quán)服務(wù)，使用時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)常服務(wù)不可用，通過 Zabbix 的監(jiān)控平臺監(jiān)控發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頻繁發(fā)生長時(shí)間 Full GC，且觸發(fā)時(shí)老年代的堆內(nèi)存通常并沒有占滿，發(fā)現(xiàn)原來是業(yè)務(wù)代碼中調(diào)用了 System.gc。

總結(jié)

GC 問題可以說沒有捷徑，排查線上的性能問題本身就并不簡單，除了將本文介紹到的原理和工具融會貫通，還需要我們不斷去積累經(jīng)驗(yàn)，真正做到性能優(yōu)。

Java 1.8 常用GC參數(shù)速查表

GC信息打印

-verbose:gc

開啟輸出JVM GC日志

-verbose:class

查看類加載信息明細(xì)

-XX:+PrintGCDetails

GC日志打印詳細(xì)信息

-XX:+PrintGCDateStamps

GC日志打印時(shí)間戳信息

-XX:+PrintHeapAtGC

在GC前后打印GC日志

-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime

打印應(yīng)用暫停時(shí)間

-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime

打印每次垃圾回收前，程序未中斷的執(zhí)行時(shí)間

-Xloggc:./gc.log

指定GC日志目錄何文件名

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

當(dāng)發(fā)生 OOM(OutOfMemory)時(shí)，自動轉(zhuǎn)儲堆內(nèi)存快照，缺省情況未指定目錄時(shí)，JVM 會創(chuàng)建一個(gè)名稱為 java_pidPID.hprof 的堆 dump 文件在 JVM 的工作目錄下

-XX:HeapDumpPath=/data/log/gc/dump/

指定OOM時(shí)堆內(nèi)存轉(zhuǎn)儲快照位置

-XX:+PrintClassHistogramBeforeFullGC、-XX:+PrintClassHistogramAfterFullGC

Full GC前后打印跟蹤類視圖

-XX:+PrintTenuringDistribution

打印Young GC各個(gè)年齡段的對象分布

-XX:+PrintTLAB

打印TLAB(線程本地分配緩存區(qū))空間使用情況

CMS/G1通用內(nèi)存區(qū)域設(shè)置

-Xmx1024M

JVM最大堆內(nèi)存大小

-Xms1024M

JVM初始內(nèi)存大小，建議與-Xmx一致

-Xmn1536M

年輕代空間大小，使用G1收集器是不建議設(shè)置該值

-Xss1M

每個(gè)線程的堆棧大小

-XX:MaxMetaspaceSize=512M

最大元空間大小

-XX:MetaspaceSize=512M

初始元空間大小

-XX:SurvivorRatio=8

年輕代中Eden區(qū)與Survivor區(qū)的大小比值，缺省默認(rèn)值為8

-XX:MaxDirectMemorySize=40M

最大堆外內(nèi)存大小

CMS/G1通用閾值設(shè)置

-XX:MaxTenuringThreshold=15

設(shè)置新生代需要經(jīng)歷多少次GC晉升到老年代中的最大閾值，缺省默認(rèn)值為15

-XX:PretenureSizeThreshold=1M

代表分配在新生代一個(gè)對象占用內(nèi)存最大值，超過該最大值對象直接在old區(qū)分配，默認(rèn)值缺省是0，代表對象不管多大都是先在Eden中分配內(nèi)存

CMS/G1通用開關(guān)設(shè)置

-XX:+DisableExplicitGC

設(shè)置忽略System.gc()的調(diào)用，不建議設(shè)置該參數(shù)，因?yàn)椴糠忠蕾嘕ava NIO的框架(例如Netty)在內(nèi)存異常耗盡時(shí)，會主動調(diào)用System.gc()，觸發(fā)Full GC，回收DirectByteBuffer對象，作為回收堆外內(nèi)存的最后保障機(jī)制，設(shè)置該參數(shù)之后會導(dǎo)致在該情況下堆外內(nèi)存得不到清理 參考：為什么不推薦使用-XX:+DisableExplicitGC

-XX:+ParallelRefProcEnabled

開啟盡可能并行處理Reference對象，建議開啟

CMS/G1通用線程數(shù)設(shè)置

-XX:ParallelGCThreads=10

設(shè)置并行收集垃圾器在應(yīng)用線程STW期間時(shí)GC處理線程數(shù)

-XX:ConcGCThreads=10

設(shè)置垃圾收集器在與應(yīng)用線程并發(fā)執(zhí)行標(biāo)記處理(非STW階段)時(shí)的線程數(shù)

CMS常用

-XX:+UseConcMarkSweepGC

設(shè)置使用CMS作為老年代垃圾收集器

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70

設(shè)置老年代空間使用的比率閾值多少時(shí)觸發(fā)CMS GC，范圍1~100，建議70，需要和-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly參數(shù)搭配使用才生效

-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

設(shè)置CMS嚴(yán)格按照-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction參數(shù)設(shè)置的閾值來觸發(fā)CMS GC，如果沒有設(shè)置，虛擬機(jī)會根據(jù)收集的數(shù)據(jù)決定是否觸發(fā)，建議線上環(huán)境帶上這個(gè)參數(shù)，不然會加大問題排查的難度

-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses

保證顯式調(diào)用System.gc()觸發(fā)的是一個(gè)并發(fā)GC周期而不是Full GC，建議開啟

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled

發(fā)送CMS GC時(shí)觸發(fā)類卸載，推薦開啟

-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

在CMS的重新標(biāo)記階段之前執(zhí)行年輕代Young GC，可減少相當(dāng)一部分的需要標(biāo)記的對象，減少CMS重新標(biāo)記時(shí)間的開銷，建議開啟

-XX:UseCMSCompactAtFullCollection

是否在CMS發(fā)生Full GC之后是否進(jìn)行空間整理，缺省默認(rèn)開啟(推薦)

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction

進(jìn)行多少次Full GC之后進(jìn)行一次空間整理，缺省默認(rèn)值為0(推薦)，即每次Full GC過后都進(jìn)行空間整理，空間整理期間STW

G1常用

-XX:+UseG1GC

使用 G1 垃圾收集器

-XX:MaxGCPauseMillis=200

設(shè)置期望達(dá)到的最大GC停頓時(shí)間指標(biāo)，JVM會盡力實(shí)現(xiàn)，但不保證達(dá)到

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

啟動并發(fā)GC周期時(shí)的堆內(nèi)存占用百分比。G1之類的垃圾收集器基于整個(gè)整個(gè)堆的使用率觸發(fā)并發(fā)GC周期,而不只是某年輕代或者老年代的內(nèi)存的使用比.，值為 0 則表示”一直執(zhí)行GC循環(huán)”。 默認(rèn)值為 45

-XX:G1ReservePercent=10

預(yù)留內(nèi)存占堆內(nèi)存比值，默認(rèn)值是10，代表使用10%的堆內(nèi)存為預(yù)留內(nèi)存，當(dāng)Survivor區(qū)域沒有足夠空間容納新晉升對象時(shí)會嘗試使用預(yù)留內(nèi)存

-XX:G1HeapRegionSize=2M

設(shè)置的 G1 Region區(qū)域的大小，當(dāng)G1因?yàn)轭l繁分配巨型對象失敗導(dǎo)致Full GC，可以嘗試增大該參數(shù)

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的图说GC原理及调优的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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