GC和GC Tuning

1.什么是垃圾

没有任何引用指向的一个对象或者多个对象（循环引用）

2.如何定位垃圾

引用计数（ReferenceCount）

根可达算法(RootSearching)

3. GC roots

JVM stack (jvm栈)

native method stack （本地方法栈）

run-time constant pool （常量池指向的变量）

static references in method artea （静态变量指向的对象）

Clazz （对象字节load到内存）

3.常见的垃圾回收算法

标记清除(mark sweep) - 位置不连续产生碎片效率偏低（两遍扫描）

拷贝算法 (copying) - 没有碎片，浪费空间

标记压缩(mark compact) - 没有碎片，效率偏低（两遍扫描，指针需要调整）

4.JVM内存分代模型（用于分代垃圾回收算法）

1. 部分垃圾回收器使用的模型

除Epsilon ZGC Shenandoah之外的GC都是使用逻辑分代模型

G1是逻辑分代，物理不分代

除此之外不仅逻辑分代，而且物理分代

2. 新生代 + 老年代 + 永久代（1.7）Perm Generation/ 元数据区(1.8) Metaspace

永久代元数据 - Class

永久代必须指定大小限制，元数据可以设置，也可以不设置，无上限（受限于物理内存）

字符串常量 1.7 - 永久代，1.8 - 堆

MethodArea逻辑概念 - 永久代、元数据

3. 新生代 = Eden + 2个suvivor区

YGC回收之后，大多数的对象会被回收，活着的进入s0

再次YGC，活着的对象eden + s0 -> s1

再次YGC，eden + s1 -> s0

年龄足够 -> 老年代（15 CMS 6）

s区装不下 -> 老年代

4. 老年代

顽固分子

老年代满了FGC Full GC

GC Tuning (Generation)

尽量减少FGC

MinorGC = YGC

MajorGC = FGC

动态年龄：
https://www.jianshu.com/p/989d3b06a49d

分配担保：
YGC期间 survivor区空间不够了空间担保直接进入老年代
参考：https://cloud.tencent.com/developer/article/1082730

对象的分配过程

对象内存分配的过程

5 .TLAB 分配

　JVM在内存新生代Eden Space中开辟了一小块线程私有的区域，称作TLAB（Thread-local allocation buffer）。默认设定为占用Eden Space的1%。在Java程序中很多对象都是小对象且用过即丢，它们不存在线程共享也适合被快速GC，所以对于小对象通常JVM会优先分配在TLAB上，并且TLAB上的分配由于是线程私有所以没有锁开销。因此在实践中分配多个小对象的效率通常比分配一个大对象的效率要高。
　　也就是说，Java中每个线程都会有自己的缓冲区称作TLAB（Thread-local allocation buffer），每个TLAB都只有一个线程可以操作，TLAB结合bump-the-pointer技术可以实现快速的对象分配，而不需要任何的锁进行同步，也就是说，在对象分配的时候不用锁住整个堆，而只需要在自己的缓冲区分配即可。
　　关于对象分配的JDK源码可以参见 [JVM 之 Java对象创建初始化] 中对OpenJDK源码的分析。

为什么需要TLAB？

　　这是为了加速对象的分配。由于对象一般分配在堆上，而堆是线程共用的，因此可能会有多个线程在堆上申请空间，而每一次的对象分配都必须线程同步，会使分配的效率下降。考虑到对象分配几乎是Java中最常用的操作，因此JVM使用了TLAB这样的线程专有区域来避免多线程冲突，提高对象分配的效率。

6.常见的垃圾回收器

JDK诞生 Serial追随提高效率，诞生了PS，为了配合CMS，诞生了PN，CMS是1.4版本后期引入，CMS是里程碑式的GC，它开启了并发回收的过程，但是CMS毛病较多，因此目前任何一个JDK版本默认是CMS
并发垃圾回收是因为无法忍受STW
Serial 年轻代串行回收
PS 年轻代并行回收
ParNew 年轻代配合CMS的并行回收
SerialOld
ParallelOld
ConcurrentMarkSweep 老年代并发的，垃圾回收和应用程序同时运行，降低STW的时间(200ms)
CMS问题比较多，所以现在没有一个版本默认是CMS，只能手工指定
CMS既然是MarkSweep，就一定会有碎片化的问题，碎片到达一定程度，CMS的老年代分配对象分配不下的时候，使用SerialOld 进行老年代回收
想象一下：
PS + PO -> 加内存换垃圾回收器 -> PN + CMS + SerialOld（几个小时 - 几天的STW）
几十个G的内存，单线程回收 -> G1 + FGC 几十个G -> 上T内存的服务器 ZGC
算法：三色标记 + Incremental Update
G1(10ms)
算法：三色标记 + SATB
ZGC (1ms) PK C++
算法：ColoredPointers + LoadBarrier
Shenandoah
算法：ColoredPointers + WriteBarrier
Eplison
PS 和 PN区别的延伸阅读：
▪https://docs.oracle.com/en/java/javase/13/gctuning/ergonomics.html#GUID-3D0BB91E-9BFF-4EBB-B523-14493A860E73
垃圾收集器跟内存大小的关系
1. Serial 几十兆
2. PS 上百兆 - 几个G
3. CMS - 20G
4. G1 - 上百G
5. ZGC - 4T - 16T（JDK13）

1.8默认的垃圾回收：PS + ParallelOld

7.常见垃圾回收器组合参数设定：(1.8)

-XX:+UseSerialGC = Serial New (DefNew) + Serial Old
- 小型程序。默认情况下不会是这种选项，HotSpot会根据计算及配置和JDK版本自动选择收集器
-XX:+UseParNewGC = ParNew + SerialOld
- 这个组合已经很少用（在某些版本中已经废弃）
- https://stackoverflow.com/questions/34962257/why-remove-support-for-parnewserialold-anddefnewcms-in-the-future
-XX:+UseConc(urrent)MarkSweepGC = ParNew + CMS + Serial Old
-XX:+UseParallelGC = Parallel Scavenge + Parallel Old (1.8默认) 【PS + SerialOld】
-XX:+UseParallelOldGC = Parallel Scavenge + Parallel Old
-XX:+UseG1GC = G1
Linux中没找到默认GC的查看方法，而windows中会打印UseParallelGC
- java +XX:+PrintCommandLineFlags -version
- 通过GC的日志来分辨
Linux下1.8版本默认的垃圾回收器到底是什么？
- 1.8.0_181 默认（看不出来）Copy MarkCompact
- 1.8.0_222 默认 PS + PO

8.了解JVM常用命令行参数

JVM的命令行参数参考：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

HotSpot参数分类

标准： - 开头，所有的HotSpot都支持

非标准：-X 开头，特定版本HotSpot支持特定命令

不稳定：-XX 开头，下个版本可能取消

java -version

试验用程序：

import java.util.List;
import java.util.LinkedList;

public class HelloGC {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("HelloGC!");
    List list = new LinkedList();
    for(;;) {
      byte[] b = new byte[1024*1024];
      list.add(b);
    }
  }
}

区分概念：内存泄漏memory leak，内存溢出out of memory
java -XX:+PrintCommandLineFlags HelloGC
java -Xmn10M -Xms40M -Xmx60M -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+PrintGC HelloGC
PrintGCDetails PrintGCTimeStamps PrintGCCauses
java -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintCommandLineFlags HelloGC
java -XX:+PrintFlagsInitial 默认参数值
java -XX:+PrintFlagsFinal 最终参数值
java -XX:+PrintFlagsFinal | grep xxx 找到对应的参数
java -XX:+PrintFlagsFinal -version |grep GC

9. PS GC日志详解

每种垃圾回收器的日志格式是不同的！

PS日志格式

gc日志详解

heap dump部分：

1 2	eden space 5632K, 94% used [0x00000000ff980000,0x00000000ffeb3e28,0x00000000fff00000) 后面的内存地址指的是，起始地址，使用空间结束地址，整体空间结束地址

gc日志详解2

total = eden + 1个survivor

10. 调优前的基础概念：

吞吐量：用户代码时间 /（用户代码执行时间 + 垃圾回收时间）
响应时间：STW越短，响应时间越好

所谓调优，首先确定，追求啥？吞吐量优先，还是响应时间优先？还是在满足一定的响应时间的情况下，要求达到多大的吞吐量…

什么是调优？

根据需求进行JVM规划和预调优
优化运行JVM运行环境（慢，卡顿）
解决JVM运行过程中出现的各种问题(OOM)

11. 调优步骤

调优，从业务场景开始，没有业务场景的调优都是耍流氓
无监控（压力测试，能看到结果），不调优
步骤：
1. 熟悉业务场景（没有最好的垃圾回收器，只有最合适的垃圾回收器）
  1. 响应时间、停顿时间 [CMS G1 ZGC] （需要给用户作响应）
  2. 吞吐量 = 用户时间 /( 用户时间 + GC时间) [PS]
2. 选择回收器组合
3. 计算内存需求（经验值 1.5G 16G）
4. 选定CPU（越高越好）
5. 设定年代大小、升级年龄
6. 设定日志参数
  1. -Xloggc:/opt/xxx/logs/xxx-xxx-gc-%t.log -XX:+UseGCLogFileRotation -XX:NumberOfGCLogFiles=5 -XX:GCLogFileSize=20M -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCCause
  2. 或者每天产生一个日志文件
7. 观察日志情况

GC常用参数

-Xmn -Xms -Xmx -Xss
年轻代最小堆最大堆栈空间
-XX:+UseTLAB
使用TLAB，默认打开
-XX:+PrintTLAB
打印TLAB的使用情况
-XX:TLABSize
设置TLAB大小
-XX:+DisableExplictGC
System.gc()不管用，FGC
-XX:+PrintGC
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintHeapAtGC
-XX:+PrintGCTimeStamps
-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime (低)
打印应用程序时间
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime （低）
打印暂停时长
-XX:+PrintReferenceGC （重要性低）
记录回收了多少种不同引用类型的引用
-verbose:class
类加载详细过程
-XX:+PrintVMOptions
-XX:+PrintFlagsFinal -XX:+PrintFlagsInitial
必须会用
-Xloggc:opt/log/gc.log
-XX:MaxTenuringThreshold
升代年龄，最大值15
锁自旋次数 -XX:PreBlockSpin 热点代码检测参数-XX:CompileThreshold 逃逸分析标量替换 …
这些不建议设置

Parallel常用参数

-XX:SurvivorRatio
-XX:PreTenureSizeThreshold
大对象到底多大
-XX:MaxTenuringThreshold
-XX:+ParallelGCThreads
并行收集器的线程数，同样适用于CMS，一般设为和CPU核数相同
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
自动选择各区大小比例

CMS常用参数

-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:ParallelCMSThreads
CMS线程数量
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction
使用多少比例的老年代后开始CMS收集，默认是68%(近似值)，如果频繁发生SerialOld卡顿，应该调小，（频繁CMS回收）
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
在FGC时进行压缩
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction
多少次FGC之后进行压缩
-XX:+CMSClassUnloadingEnabled
-XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction
达到什么比例时进行Perm回收
GCTimeRatio
设置GC时间占用程序运行时间的百分比
-XX:MaxGCPauseMillis
停顿时间，是一个建议时间，GC会尝试用各种手段达到这个时间，比如减小年轻代

G1常用参数

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis
建议值，G1会尝试调整Young区的块数来达到这个值
-XX:GCPauseIntervalMillis
？GC的间隔时间
-XX:+G1HeapRegionSize
分区大小，建议逐渐增大该值，1 2 4 8 16 32。
随着size增加，垃圾的存活时间更长，GC间隔更长，但每次GC的时间也会更长
ZGC做了改进（动态区块大小）
G1NewSizePercent
新生代最小比例，默认为5%
G1MaxNewSizePercent
新生代最大比例，默认为60%
GCTimeRatio
GC时间建议比例，G1会根据这个值调整堆空间
ConcGCThreads
线程数量
InitiatingHeapOccupancyPercent
启动G1的堆空间占用比例

参考资料

https://blogs.oracle.com/jonthecollector /our-collectors
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html
http://java.sun.com/javase/technologies/hotspot/vmoptions.jsp
JVM调优参考文档：https://docs.oracle.com/en/java/javase/13/gctuning/introduction-garbage-collection-tuning.html#GUID-8A443184-7E07-4B71-9777-4F12947C8184
https://www.cnblogs.com/nxlhero/p/11660854.html 在线排查工具
https://www.jianshu.com/p/507f7e0cc3a3 arthas常用命令
Arthas手册：
1. 启动arthas java -jar arthas-boot.jar
2. 绑定java进程
3. dashboard命令观察系统整体情况
4. help 查看帮助
5. help xx 查看具体命令帮助
jmap命令参考： https://www.jianshu.com/p/507f7e0cc3a3
1. jmap -heap pid
2. jmap -histo pid
3. jmap -clstats pid