写在前面

本文主要介绍垃圾回收器和运行时数据区的布局关系、介绍GC日志文件、GC调优思路，以及介绍生产环境可能需要进行性能优化的场景和优化思路，最后会例举一些常见的思考问题。

一、垃圾回收器的位置

之前我们画过一张图，是从class文件到类加载器，再到运行时数据区的过程。我们现在再完善下图片内容，如下图所示，可以看到垃圾回收器是在执行引擎的一部分。

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二、GC优化

内存被使用了之后，难免会有不够用或者达到设定值的时候，就需要对内存空间进行垃圾回收。

2.1. 垃圾收集发生的时机

GC是由JVM自动完成的，根据JVM系统环境而定，所以时机是不确定的。 当然，我们可以手动进行垃圾回收，比如调用System.gc()方法通知JVM进行一次垃圾回收，但是具体什么时刻运行也无法控制。也就是说System.gc()只是通知要回收，什么时候回收由JVM决定。 但是不建议手动调用该方法，因为消耗的资源比较大。

一般以下几种情况会发生垃圾回收

  • 当Eden区或者S区不够用了
  • 老年代空间不够用了
  • 方法区空间不够用了
  • System.gc()

2.2. GC日志文件

2.2.1. Parallel GC日志

【吞吐量优先】

2019-06-10T23:21:53.305+0800: 1.303: 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 65536K[Young区回收前]->10748K[Young区回收后] (76288K[Young区总大小])] 65536K[整个堆回收前]->15039K[整个堆回收后](251392K[整个堆总大小]), 0.0113277 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]

如果回收的差值中间有出入，说明这部分空间是Old区释放出来的

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2.2.2. CMS GC日志

【停顿时间优先】

参数设置：-XX:+UseConcMarkSweepGC -Xloggc:cms-gc.log

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2.2.3. G1 GC日志

【停顿时间优先】

参数设置：-XX:+UseG1GC -Xloggc:g1-gc.log

理解G1日志格式：https://blogs.oracle.com/poonam/understanding-g1-gc-logs

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CommandLine flags: -XX:-BytecodeVerificationLocal -XX:-BytecodeVerificationRemote -XX:InitialHeapSize=524288000 -XX:+ManagementServer -XX:MaxHeapSize=524288000 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:TieredStopAtLevel=1 -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseG1GC # 使用了G1垃圾收集器 

# 什么时候发生的GC，相对的时间刻，GC发生的区域young，总共花费的时间，0.00478s， 
# It is a stop-the-world activity and all 
# the application threads are stopped at a safepoint during this time. 2020-11-29T16:06:46.508+0800: 0.458: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0047804 secs] 

# 多少个垃圾回收线程，并行的时间 [Parallel Time: 3.0 ms, GC Workers: 4] 

# GC线程开始相对于上面的0.458的时间刻 [GC Worker Start (ms): Min: 458.5, Avg: 458.5, Max: 458.5, Diff: 0.0] 

# This gives us the time spent by each worker thread scanning the roots 
# (globals, registers, thread stacks and VM data structures). [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.2, Avg: 0.4, Max: 0.7, Diff: 0.5, Sum: 1.7] 

# Update RS gives us the time each thread spent in updating the Remembered Sets. [Update RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]

...

2.3. GC日志文件分析工具

1、gceasy

官网 ：https://gceasy.io

可以比较不同的垃圾收集器的吞吐量和停顿时间

比如打开cms-gc.log和g1-gc.log

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2、GCViewer

https://github.com/chewiebug/GCViewer

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2.4. G1调优与思路

2.4.1 调优过程

是否选用G1垃圾收集器的判断依据

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/G1.html#use_cases

（1）50%以上的堆被存活对象占用

（2）对象分配和晋升的速度变化非常大

（3）垃圾回收时间比较长

思考 ：https://blogs.oracle.com/poonam/increased-heap-usage-with-g1-gc

(1) 使用G1GC垃圾收集器: -XX:+UseG1GC

比如设置堆内存的大小，获取到gc日志，使用GCViewer分析吞吐量和响应时间

Throughput 			Min Pause 		Max Pause 		Avg Pause 		GC count 
99.16% 					0.00016s 				0.0137s 			0.00559s 			12

(2) 调整内存大小再获取gc日志分析

-XX:MetaspaceSize=100M -Xms300M -Xmx300M

修改配置参数，获取到gc日志，使用GCViewer分析吞吐量和响应时间，如果增加新生代的大小，虽然Miner gc次数会减少，但是停顿时间会增加。

Throughput 			Min Pause 		Max Pause 		Avg Pause 		GC count 
98.89% 						0.00021s 			0.01531s 			0.00538s 			12

(3) )调整最大停顿时间

-XX:MaxGCPauseMillis=20  #设置最大GC停顿时间指标为20毫秒

比如设置最大停顿时间，获取到gc日志，使用GCViewer分析吞吐量和响应时间，停顿时间减少了，意味着垃圾回收次数就会增加

Throughput 			Min Pause 		Max Pause 		Avg Pause 		GC count 
98.96% 						0.00015s 			0.01737s			 0.00574s 		12

(4) 启动并发GC时堆内存占用百分比

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 #G1用它来触发并发GC周期,基于整个堆的使用率,而不只是某一代内存的 使用比例。值为 0 则表示“一直执行GC循环)'. 默认值为 45 (例如, 全部的 45% 或者使用了45%).

比如设置该百分比参数，获取到gc日志，使用GCViewer分析吞吐量和响应时间

Throughput 			Min Pause 		Max Pause 		Avg Pause 		GC count 
98.11% 						0.00406s 			0.00532s 			0.00469s 			12

2.4.2. 调优思路

(1) 不要手动设置新生代和老年代的大小，只要设置整个堆的大小

G1收集器在运行过程中，会自己调整新生代和老年代的大小 
其实是通过adapt代的大小来调整对象晋升的速度和年龄，从而达到为收集器设置的暂停时间目标 
如果手动设置了大小就意味着放弃了G1的自动调优

(2) 不断调优暂停时间目标

一般情况下这个值设置到100ms或者200ms都是可以的(不同情况下会不一样)，但如果设置成50ms就不太合理。暂停 时间设置的太短，就会导致出现G1跟不上垃圾产生的速度。最终退化成Full GC。所以对这个参数的调优是一个持续 的过程，逐步调整到最佳状态。暂停时间只是一个目标，并不能总是得到满足。

(3) 使用-XX:ConcGCThreads=n来增加标记线程的数量

IHOP如果阀值设置过高，可能会遇到转移失败的风险，比如对象进行转移时空间不足。如果阀值设置过低，就会使标记周期运行过于频繁，并且有可能混合收集期回收不到空间。 
IHOP值如果设置合理，但是在并发周期时间过长时，可以尝试增加并发线程数，调高ConcGCThreads。

(4) MixedGC调优

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent 
-XX:G1MixedGCCountTarger 
-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent

(5) 适当增加堆内存大小

可以减少gc的次数，这样减少程序停顿的时间

三、高并发场景分析

以每秒3000笔订单为例

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四、性能优化指南

一般我们生产环境不外乎会遇到这几类问题需要涉及性能优化

  1. GC频繁，young GC / Full GC
  2. 死锁
  3. OOM
  4. 线程池不够用
  5. CPU负载过高

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五、常见问题思考

1、内存泄漏与内存溢出的区别？

内存泄漏：对象无法得到及时的回收，持续占用内存空间，从而造成内存空间的浪费。

内存溢出：内存泄漏到一定的程度就会导致内存溢出，但是内存溢出也有可能是大对象导致的。

2、young gc会有stw吗？

不管什么 GC，都会有 stop-the-world，只是发生时间的长短。

3、major gc和full gc的区别？

major gc指的是老年代的gc，而full gc等于young+old+metaspace的gc。

4、G1与CMS的区别是什么？

CMS 用于老年代的回收，而 G1 用于新生代和老年代的回收。

G1 使用了 Region 方式对堆内存进行了划分，且基于标记整理算法实现，整体减少了垃圾碎片的产生。

5、什么是直接内存？

直接内存是在java堆外的、直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度会优于Java堆。因此出于性能的考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。

6、不可达的对象一定要被回收吗？

即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑阶段”，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程；可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 fifinalize 方法。当对象没有覆盖 fifinalize 方法，或 fifinalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联，否则就会被真的回收。

7、方法区中的无用类回收？

方法区主要回收的是无用的类，那么如何判断一个类是无用的类的呢？

判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单，而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面 3 个条件才能算是 “无用的类” ：

  • 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。

  • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。

  • 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述 3 个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。

8、不同的引用

JDK1.2以后，Java对引用进行了扩充：强引用、软引用、弱引用和虚引用