JDK8-大内存垃圾回收机制配置实战

云游者
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一、JVM-GC情况

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  • YGC统计： 30秒GC5次，YGC时间总耗时250ms, 一次YGC耗时50ms
  • FGC统计： 30分钟GC1次，FGC耗时125ms

二、JVM启动参数配置

-Xms12g, -Xmx12g, -XX:NewRatio=1, -Dport=80, -verbose:gc, -XX:MetaspaceSize=512m, 
-XX:MaxMetaspaceSize=512m, -XX:+UseConcMarkSweepGC, -XX:+UseParNewGC, 
-XX:+CMSParallelRemarkEnabled, -XX:+CMSScavengeBeforeRemark, -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75, -XX:+PrintGCDetails, 
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError, -XX:HeapDumpPath=/data/logs/
  • -Xms12g：JVM启动时的初始堆大小为12GB。
  • -Xmx12g：JVM堆的最大大小为12GB。
  • -XX:NewRatio =1：新生代（Young Generation）与老年代（Old Generation）的比例为1:1。即新生代和老年代各占堆内存的一半。
  • -Dport=80：设置系统属性port的值为80，通常用于应用程序监听80端口。
  • -verbose:gc：启用垃圾回收的详细日志输出。
  • -XX:MetaspaceSize =512m：设置元空间（Metaspace）的初始大小为512MB。
  • -XX:MaxMetaspaceSize =512m：设置元空间的最大大小为512MB。
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用并发标记清除（CMS）垃圾回收器，用于老年代的垃圾回收。
  • -XX:+UseParNewGC：启用并行新生代垃圾回收器（ParNew），与CMS配合使用。
  • -XX:+CMSParallelRemarkEnabled：启用CMS垃圾回收器的并行标记阶段，以减少停顿时间。
  • -XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在CMS的重新标记阶段之前进行一次新生代的垃圾回收，以减少重新标记阶段的工作量。
  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction =75：设置CMS垃圾回收器在老年代占用率达到75%时启动垃圾回收。
  • -XX:+PrintGCDetails：打印详细的垃圾回收信息。
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：在发生内存溢出（OutOfMemoryError）时生成堆转储文件。
  • -XX:HeapDumpPath =/data/logs/：指定堆转储文件的存储路径为/data/logs/。

-XX:NewRatio

  1. 新生代：用于存放新创建的对象，通常对象的生命周期较短。新生代又分为 Eden 区和两个 Survivor 区（From 和 To）。在新生代中，新创建的对象首先被分配到 Eden 区。当 Eden 区满了时，会触发 Minor GC，将存活的对象移动到 Survivor 区。新生代 Eden 区和 Survivor 区的比例：默认为 8:1:1。
  2. 老年代：用于存放经过多次垃圾回收后仍然存活的对象，通常对象的生命周期较长。对象晋升到老年代的默认次数：经过 15 次 Minor GC 后仍然存活。

-XX:MetaspaceSize =512m

  • 元空间是 Java 8 引入的一种内存区域，用于存储类的元数据信息，例如类的结构、方法、字段等。

-XX:+UseConcMarkSweepGC

CMS 垃圾回收器是一种专注于减少垃圾回收停顿时间的回收器，适用于对响应时间要求较高的应用场景。

CMS 垃圾回收器主要针对老年代，采用“标记-清除”算法，整个回收过程分为以下几个阶段：

  1. 初始标记（Initial Marking）：在初始标记阶段，JVM 会暂停所有用户线程（STW），标记出直接被 GC Roots 引用的对象。这一阶段速度较快，因为仅标记直接关联的对象。
  2. 并发标记（Concurrent Marking）：并发标记阶段是 CMS 的核心，它从 GC Roots 开始遍历整个对象图，标记出所有存活的对象。此阶段用户线程和垃圾回收线程可以并发执行，因此不会暂停用户线程。
  3. 重新标记（Remark）：由于并发标记阶段用户线程仍在运行，可能会导致对象引用关系发生变化。因此，重新标记阶段会修正并发标记期间发生变化的对象引用。这一阶段也会暂停用户线程，但时间较短。
  4. 并发清除（Concurrent Sweep）：在并发清除阶段，垃圾回收线程会清除那些未被标记的对象，释放内存空间。此阶段同样与用户线程并发执行。

CMS 的优点

  • 低停顿时间：通过并发执行标记和清除操作，显著减少了垃圾回收对用户线程的停顿时间。
  • 适合交互式应用：适用于对响应时间要求较高的场景，如 Web 应用。

CMS 的缺点

  • 内存碎片：由于采用标记-清除算法，可能会产生内存碎片，导致在分配大对象时因无法找到连续内存空间而提前触发 Full GC。
  • 对 CPU 敏感：并发执行会占用 CPU 资源，可能导致在 CPU 资源紧张时性能下降。
  • 无法处理浮动垃圾：并发清除阶段可能会遗漏一些在标记阶段之后新产生的垃圾对象。

-XX:+UseParNewGC

-XX:+UseParNewGC 是一个 JVM 参数，用于启用 ParNew 垃圾回收器。ParNew 是一种并行的新生代垃圾回收器，专门用于处理新生代的垃圾回收。它是基于 Stop-the-World (STW) 机制的，但通过并行执行来提高垃圾回收的效率。

ParNew 垃圾回收器的特点

  1. 并行回收：

    • ParNew 是一种并行垃圾回收器，它利用多线程来加速新生代的垃圾回收过程。它会根据系统的 CPU 核心数或用户指定的线程数（通过 -XX:ParallelGCThreads 参数设置）来并行执行垃圾回收任务。
    • 并行执行可以显著减少垃圾回收的停顿时间，尤其是在多核处理器上。

  2. 基于标记-复制算法：

    • ParNew 使用 标记-复制（Mark-Copy） 算法来回收新生代的内存。新生代被划分为 Eden 区和两个 Survivor 区（From 和 To）。
    • 在垃圾回收时，ParNew 会标记 Eden 区和 From Survivor 区中存活的对象，并将它们复制到 To Survivor 区。这种算法可以有效避免内存碎片问题。

  3. 与 CMS 垃圾回收器配合使用：

    • ParNew 常常与 CMS（并发标记清除）垃圾回收器配合使用。在这种情况下，ParNew 负责新生代的垃圾回收，而 CMS 负责老年代的垃圾回收。
    • 这种组合可以充分发挥 ParNew 的并行优势和 CMS 的低停顿优势。

使用场景

  • 适合多核处理器：ParNew 非常适合在多核处理器上运行，因为它可以通过并行执行充分利用多核 CPU 的计算能力。
  • 适合新生代频繁回收：如果应用中新生代的垃圾回收非常频繁，ParNew 可以显著提高垃圾回收效率，减少停顿时间。
  • 与 CMS 配合：在需要低延迟的场景中，ParNew 和 CMS 的组合可以提供较好的性能表现。

优点

  • 并行回收：通过多线程并行执行，显著减少了垃圾回收的停顿时间。
  • 高效处理新生代：基于标记-复制算法，避免了内存碎片问题，同时提高了新生代的回收效率。
  • 与 CMS 配合良好：可以与 CMS 垃圾回收器配合使用，实现新生代和老年代的高效回收。

缺点

  • 对 CPU 资源敏感：并行执行会占用较多的 CPU 资源，可能导致在 CPU 资源紧张时对应用性能产生一定影响。
  • 仅适用于新生代：ParNew 仅用于新生代的垃圾回收，老年代的垃圾回收需要配合其他回收器（如 CMS 或 G1）。

注意事项

  • ParNew 垃圾回收器在 JDK 9 及之后的版本中被废弃，取而代之的是 G1 垃圾回收器。G1 是一种更加先进的垃圾回收器，支持新生代和老年代的统一回收，并且在低延迟和高吞吐量方面表现更好。
  • 如果你正在使用 JDK 9 或更高版本，建议优先考虑使用 G1 垃圾回收器（通过 -XX:+UseG1GC 参数启用）。

-XX:+CMSParallelRemarkEnabled

-XX:+CMSParallelRemarkEnabled 是一个 JVM 参数，用于优化 CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器的性能。具体来说，它允许在 CMS 的 重新标记（Remark）阶段 使用并行线程来执行标记操作。

在 CMS 的工作流程中，重新标记阶段 是一个 Stop-the-World (STW) 事件，意味着它会暂停所有用户线程。由于重新标记阶段需要扫描整个堆（包括老年代和新生代），因此可能会导致较长的停顿时间。

启用 -XX:+CMSParallelRemarkEnabled 参数后，JVM 会在重新标记阶段使用多个线程并行执行标记操作，从而显著减少停顿时间。这在多核处理器环境中尤其有效，因为并行执行可以充分利用多核 CPU 的计算能力。

从 JDK 1.8 开始，-XX:+CMSParallelRemarkEnabled 参数默认是启用的。

-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

-XX:+CMSScavengeBeforeRemark 是一个用于优化 CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器性能的 JVM 参数。它的作用是在 CMS 的 Remark 阶段 之前强制执行一次 Minor GC（新生代垃圾回收），以减少老年代对新生代的跨代引用，从而降低 Remark 阶段的停顿时间。

作用和优化原理

  1. 背景：

    • CMS 的 Remark 阶段是一个 Stop-the-World (STW) 事件，通常会扫描整个堆（包括老年代和新生代），因此可能导致较长的停顿时间。
    • 如果新生代中存在大量对象，Remark 阶段的扫描时间会显著增加。

  2. 优化策略：

    • 在 Remark 阶段之前执行一次 Minor GC，可以清理掉新生代中大部分短生命周期的对象，减少老年代对新生代的引用数量。
    • 这样可以显著降低 Remark 阶段需要扫描的对象数量，从而减少停顿时间。

使用场景和效果

  • 适用场景：

    • 当应用的新生代对象生命周期较短，且 Remark 阶段的停顿时间较长时，启用该参数可以有效优化性能。
    • 特别适用于高并发、低延迟的应用场景。

  • 优化效果：

    • 根据实际案例，启用 -XX:+CMSScavengeBeforeRemark 后，单次执行时间超过 200ms 的 GC 停顿消失，GC 时间与业务波动保持一致。
    • 在某些测试中，Final Remark 的平均耗时从 495ms 降低到 50ms 左右。

注意事项

  • 额外停顿：虽然该参数可以减少 Remark 阶段的停顿时间，但它会引入一次额外的 Minor GC 停顿。因此，需要权衡 Minor GC 的停顿时间和 Remark 阶段的优化效果。
  • 适用性：该参数并非在所有场景下都适用。如果新生代对象生命周期较长，或者新生代占用率较低，启用该参数可能不会带来显著的优化效果。

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction =75

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75 是一个用于优化 CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器的 JVM 参数，表示当老年代的内存占用率达到 75% 时，触发 CMS 垃圾回收。

参数作用

  1. 控制 CMS 回收的触发时机
    默认情况下，CMS 垃圾回收器会在老年代内存占用率达到一定阈值时启动。通过设置 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75，可以将触发阈值设置为 75%，即当老年代的内存占用率达到 75% 时，CMS 回收器开始工作。

  2. 避免频繁 Full GC
    设置合适的阈值可以避免老年代内存耗尽导致的 Full GC，从而减少长时间的停顿。如果阈值设置过高（如接近 100%），可能会导致 CMS 回收器启动过晚，从而引发 Full GC。

  3. 预留空间
    设置为 75% 意味着老年代会预留 25% 的空间，这为并发回收期间的内存分配提供了缓冲，避免因内存不足导致的并发模式失败。

配合其他参数

  • -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：此参数确保 CMS 回收器始终基于设置的阈值（如 75%）触发，而不是由 JVM 自动调整。
  • -XX:+CMSClassUnloadingEnabled：开启对永久代或元空间的垃圾回收，避免因元空间耗尽导致的 Full GC。

优化建议

  • 合理设置阈值：根据应用的老年代内存使用情况，调整阈值以避免频繁触发 CMS 回收。例如，如果老年代常驻内存较大，可以适当提高阈值。
  • 监控内存使用：通过工具（如 jstat 或 GC 日志）监控老年代的内存使用情况，动态调整阈值。

JVM 内存占用和GC分析

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YGC

  • YGC就是上面提到的MinorGC的频率较高（6秒一次），说明新生代的对象分配速度较快，可能是由于应用程序创建了大量短期对象。
  • 每次YGC耗时50ms，属于正常范围（通常YGC耗时在几十毫秒内是可以接受的）。
  • 如果YGC的频率对应用程序的性能影响较大（例如导致明显的延迟或吞吐量下降），可以考虑增大新生代的大小，以减少YGC的频率。可以通过调整-XX:NewRatio参数（例如设置为0.5）来增加新生代的比例。

FGC

  • FGC的频率较低（30分钟一次），说明老年代的对象晋升速度较慢，整体内存使用较为健康。
  • 每次FGC耗时125ms，对于CMS垃圾回收器来说，这个耗时是合理的（CMS的目标是减少停顿时间）。
  • 如果FGC的频率和耗时对应用程序没有明显影响，则可以认为当前配置是合理的。

堆内存配置

  • 堆内存大小（12GB）对于大多数应用来说是足够的，但如果YGC频率较高，可以尝试增大堆内存（例如增加到16GB或24GB），以减少GC的频率。
  • -XX:NewRatio=1的配置使得新生代和老年代各占一半堆内存（6GB）。如果YGC频率较高，可以尝试增大新生代的比例（例如设置-XX:NewRatio=0.5，新生代占2/3，老年代占1/3），以减少YGC的频率。
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