快速上手jvm調優：GC調優思路及參數設置

本文基於《jvm性能權威指南》，總結了gc調優的相關知識點。然後希望能幫助大家快速上手jvm gc調優。
這裏不對垃圾收集的原理進行詳細介紹，只與性能調優相關。

一、垃圾收集器

1.各垃圾收集器主要特點

垃圾收集器	主要特點	啓用參數
Serial垃圾收集器	Client模式默認垃圾收集器； 單線程回收； MinorGC和FullGC都會暫停應用線程。	-XX:+UseSerialGC
Parallel垃圾收集器	Server模式默認垃圾收集器（jdk9前）； 使用多線程回收； MinorGC和FullGC都會暫停應用線程，FullGC會對老年代空間進行壓縮整理。	-XX:+UseParallelGC， -XX:+UseParallelOldGC
CMS垃圾收集器	使用多線程回收； MinorGC和老年代併發回收階段暫停應用線程，會有空間碎片化問題。	-XX:+UseParNewGC， -XX:+UseConcMarkSweepGC
G1垃圾收集器	jdk9後默認垃圾收集器； 使用非連續的區塊的方式管理堆內存； 多線程並行回收； MinorGC和老年代併發回收部分階段暫停應用線程。	-XX:+UseG1GC

2.如何選擇垃圾收集器

• 小內存應用直接使用Serial，穩定高效
• 大部分應用在Parallel和CMS中選擇：
  • Parallel+Parallel old組合主要關注吞吐量，適用批處理任務
  • 在CPU資源充足的情況下使用CMS（CMS只使用老年代，需要配合serial/parallel new）
  • CPU資源受限時CMS會發生併發模式失效的問題，退化到Serial Old
• 一般情況下，堆空間小於4G時，CMS比G1性能好，但超大堆下G1性能更好

二、GC調優基礎

1.分析工具

所有調優都是建立在對堆內存的使用情況有一定的瞭解的基礎上，所以我們首先需要使用一些工具對我們的java應用進行監控和分析，來瞭解到底出現了什麼問題：

• GC日誌
  • -XX:+PrintGCDetails：打印GC日誌
  • -XX:+PrintGCTimeStamps：GC日誌打印時間戳
• 堆實時監控
  • 使用jstat -gcutil PID 1000 指令：每秒打印堆內存實時信息及GC情況

2.調整堆大小

• 考慮維度：
  • GC頻率：過頻繁時需要增大堆大小
  • 單次GC耗時：耗時過長需要考慮控制堆大小
  • GC在整個時間中所佔百分比
  • FullGC後剩餘可用空間：普遍經驗爲70%可用
  • 調優參數：
    • -Xms=N、-Xmx=N：堆初始值和最大值
    • -Xmn=N：設置固定新生代大小
    • -XX:NewRatio=N：設置新生代與老年代空間佔用比（此值爲分母）
    • -XX:NewSize=N、-XX:MaxNewSize=N：設置新生代初始和最大值

3.永久代和元空間

• 元空間默認會使用儘可能多的空間，因此不用過於關注
• 永久代（jdk7及之前）
  • -XX:PermSize=N、-XXMaxPermSize=N：設置固定永久代大小和最大值
• 元空間（jdk8以後）
  • -XX:MetaspaceSize=N、-XX:MaxMetaspaceSize=N：設置固定元空間大小和最大值

4.控制併發

• 控制線程數：-XX:ParallelGCThreads=N，影響多線程操作：
  • Parallel 收集新生代和老年代
  • CMS：新生代收集（ParNewGC）、併發收集STW階段（非FullGC）
  • G1 新生代收集、STW階段（非FullGC）
• 默認線程數計算（n爲cpu線程數）：ParallelGCThreads = 8 + ( ( N-8 ) * 5 / 8 )
  • 當機器CPU線程數比較多，此時默認線程數會比較大，而又同時運行多個jvm實例，這時需要手動控制線程數，避免過多垃圾回收線程併發運行。

5.自適應調整

JVM會自己根據以往的性能歷史進行性能參數調整

• -XX:-UseAdaptiveSizePolicy：關閉自適應調整功能（默認開啓）
• -XX:+PrintAdaptiveSizePolicy：打印自動調整信息

三、進階調優

1. Parallel GC

• Parallel收集器會根據指標自適應調整堆大小
  • -XX:MaxGCPauseMillis=N：設置最大停頓時間
    • 傾向於降低老年代大小，可能會觸發頻繁FullGC
  • -XX:GCTimeRatio=N：設置應用線程運行時間與垃圾回收時間之比（默認99）
    • N = 應用時間佔比 / (1 - 應用時間佔比 )
    • N=99時，表示GC佔總時間1%
    • 傾向於增大堆大小

2. CMS

• 退化爲FullGC的情況：
  • 併發模式失效：新生代發生垃圾回收，而老年代沒有足夠空間容納晉升對象
  • 晉升失敗：老年代有足夠空間容納晉升對象，但是由於空間碎片化導致晉升失敗
  • 永久代空間用盡
• 控制併發週期啓動時機
  • -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：不自動調整CMS垃圾收集週期（默認false）
  • -XX:CMSInitiationOccupancyFraction=N：觸發併發收集週期的老年代空間佔用比閾值（默認70）
    • 不要將閾值設置得過低，至少要比堆內活躍數據數多10%~20%，頻繁的併發週期中的STW會導致總體停頓過多
• 調整CMS後臺線程
  • -XX:ConcGCThreads=N：後臺線程數目
    • 默認根據ParallelGCThreads值計算得來：N = ( 3 + ParallelGCThreads ) / 4

3. G1

• 退化爲FullGC的情況：
  • 併發模式失效：（參考cms）
  • 晉升失敗：（參考cms）
  • 疏散失敗：進行新生代垃圾收集時，Suvivor空間和老年代空間沒有足夠空間容納倖存對象
  • 巨型對象分配失敗：對象所需內存過大，超過了單個區塊內存大小（或其他限制）
• 調整G1後臺線程數
  • -XX:ConcGCThreads=N：後臺線程數目
    • 默認根據ParallelGCThreads值計算得來：N = ( 2 + ParallelGCThreads ) / 4
• 調整垃圾收集頻率
  • -XX:InitiationHeapOccupancyPercent=N：觸發併發收集週期的堆內存佔用比閾值（默認45）
• 調整混合式垃圾收集週期
  • -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=N：觸發分區回收標記的分區垃圾佔比閾值
  • -XX:G1MixedGCCountTarget=N：最大混合式GC週期數（默認8）
    • 減少此值可以幫助解決晉升失敗問題，代價是混合式GC週期停頓時間更長
  • -XX:MaxGCPauseMillis=N：設置最大停頓時間（默認200ms）

4. Survivor空間及晉升：

• 設置Survivor空間大小
  • -XX:InitialSurvivorRatio=N：初始Survivor空間大小佔比（N爲分母）
    • survivor空間大小 = new_size / ( InitialSurvivorRatio + 2 )
  • -XX:MinSurvivorRatio=N：Survivor最大大小（注意由於N是分母，雖然參數是min，但是卻是設置的最大值）
• 自動調節
  • -XX:TargetSurvivorRatio=N：垃圾回收後空閒空間佔比
• 晉升閾值：對象在Survivor空間之間來回移動多少個GC週期後晉升到老年代
  • -XX:InitialTenuringThreshold=N：初始晉升閾值
  • -XX:MaxTenuringThreshold=N：最大晉升閾值
  • JVM會持續的計算，在1和最大晉升閾值中選擇合適的值