JVM调优思路（CMS 和 G1对比）

àì夳堔傛蜴生んèń 2023-01-19 11:59 730阅读 0赞

一、JVM中堆和栈的设计思想：

在Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应，这点很容易理解，因为不同的线程执行逻辑有所不同，因此需要一个独立的线程栈。而堆则是所有线程共享的。栈因为是运行单位，因此里面存储的信息都是跟当前线程（或程序）相关信息的。包括局部变量、程序运行状态、方法返回值等等；而堆只负责存储对象信息。

为什么要把堆和栈区分出来呢？栈中不是也可以存储数据吗？

1、从软件设计的角度看，栈代表了处理逻辑，而堆代表了数据。这样分开，使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。

2、堆与栈的分离，使得堆中的内容可以被多个栈共享（也可以理解为多个线程访问同一个对象）。这种共享的收益是很多的。一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如：共享内存)，另一方面，堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问，节省了空间。

3、栈因为运行时的需要，比如保存系统运行的上下文，需要进行地址段的划分。由于栈只能向上增长，因此就会限制住栈存储内容的能力。而堆不同，堆中的对象是可以根据需要动态增长的，因此栈和堆的拆分，使得动态增长成为可能，相应栈中只需记录堆中的一个地址即可。

4、面向对象就是堆和栈的完美结合。其实，面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是，面向对象的引入，使得对待问题的思考方式发生了改变，而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开，你会发现，对象的属性其实就是数据，存放在堆中；而对象的行为（方法），就是运行逻辑，放在栈中。我们在编写对象的时候，其实即编写了数据结构，也编写的处理数据的逻辑。不得不承认，面向对象的设计，确实很美。

二、为什么需要JVM调优：

和 Web 应用程序一样，Tomcat 作为一个 Java 程序也跑在 JVM 中，因此如果我们要对 Tomcat 进行调优，需要先了解 JVM 调优的原理。而对于 JVM 调优来说，主要是 JVM 垃圾收集的优化，一般来说是因为有问题才需要优化，所以对于 JVM GC 来说，如果你观察到 Tomcat 进程的 CPU 使用率比较高，并且在 GC 日志中发现 GC 次数比较频繁、GC 停顿时间长，这表明你需要对 GC 进行优化了。

CMS 和 G1 是时下使用率比较高的两款垃圾收集器，从 Java 9 开始，采用 G1 作为默认垃圾收集器，而 G1 的目标也是逐步取代 CMS。所以今天我们先来简单回顾一下两种垃圾收集器 CMS 和 G1 的区别，接着通过一个例子帮你提高 GC 调优的实战能力。

G1收集器（或者垃圾优先收集器）的设计初衷是为了尽量缩短处理超大堆（大于4GB）时产生的停顿。相对于CMS的优势而言是内存碎片的产生率大大降低。

G1收集器的最大特点  
G1最大的特点是引入分区的思路，弱化了分代的概念。  
合理利用垃圾收集各个周期的资源，解决了其他收集器甚至CMS的众多缺陷。

2. G1相比较CMS的改进

算法： G1基于标记-整理算法, 不会产生空间碎片，分配大对象时不会无法得到连续的空间而提前触发一次FULL GC。  
停顿时间可控： G1可以通过设置预期停顿时间（Pause Time）来控制垃圾收集时间避免应用雪崩现象。  
并行与并发：G1能更充分的利用CPU，多核环境下的硬件优势来缩短stop the world的停顿时间。

G1收集器的应用场景

G1垃圾收集算法主要应用在多CPU大内存的服务中，在满足高吞吐量的同时，尽可能的满足垃圾回收时的暂停时间。

就目前而言、CMS还是默认首选的GC策略、可能在以下场景下G1更适合：

服务端多核CPU、JVM内存占用较大的应用（至少大于4G）  
应用在运行过程中会产生大量内存碎片、需要经常压缩空间  
想要更可控、可预期的GC停顿周期，防止高并发下应用雪崩现象

每个Region被标记了E、S、O和H，这些区域在逻辑上被映射为Eden，Survivor和老年代。

存活的对象从一个区域转移（即复制或移动）到另一个区域。区域被设计为并行收集垃圾，可能会暂停所有应用线程。

如上图所示，区域可以分配到Eden，survivor和老年代。此外，还有第四种类型，被称为巨型区域（Humongous Region）。Humongous区域是为了那些存储超过50%标准region大小的对象而设计的，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

如果应用程序使用CMS或ParallelOld垃圾回收器具有一个或多个以下特征，将有利于切换到G1：

Full GC持续时间太长或太频繁  
对象分配率或年轻代升级老年代很频繁  
不期望的很长的垃圾收集时间或压缩暂停（超过0.5至1秒）  
注意：如果你正在使用CMS或ParallelOld收集器，并且你的应用程序没有遇到长时间的垃圾收集暂停，则保持与您的当前收集器是很好的，升级JDK并不必要更新收集器为G1。

三、CMS收集器配置参数调优：

1、吞吐量优先的并行收集器：

java -Xmx3800m -Xms3800m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20  
\-XX:+UseParallelGC：选择垃圾收集器为并行收集器。此配置仅对年轻代有效。即上述配置下，年轻代使用并发收集，而年老代仍旧使用串行收集。  
\-XX:ParallelGCThreads=20：配置并行收集器的线程数，即：同时多少个线程一起进行垃圾回收。此值最好配置与处理器数目相等。

XX:MaxGCPauseMillis=100  
\-XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间，如果无法满足此时间，JVM会自动调整年轻代大小，以满足此值。

2、响应时间优先的并发收集器

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection  
\-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理，所以运行一段时间以后会产生“碎片”，使得运行效率降低。此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩、整理。  
服务刚刚启动时 GC 次数较多，最大空间剩余很多但是依然发生 GC，这种情况我们可以通过观察 GC 日志或者通过监控工具来观察堆的空间变化情况即可。GC Cause 一般为 Allocation Failure，且在 GC 日志中会观察到经历一次 GC ，堆内各个空间的大小会被调整。在 JVM 的参数中 -Xms 和 -Xmx 设置的不一致，在初始化时只会初始 -Xms 大小的空间存储信息，每当空间不够用时再向操作系统申请，这样的话必然要进行一次 GC。具体是通过 ConcurrentMarkSweepGeneration::compute\_new\_size() 方法计算新的空间大小。另外，如果空间剩余很多时也会进行缩容操作。  
一般来说，我们需要保证 Java 虚拟机的堆是稳定的，确保 -Xms 和 -Xmx 设置的是一个值（即初始值和最大值一致），获得一个稳定的堆，同理在 MetaSpace 区也有类似的问题。不过在不追求停顿时间的情况下震荡的空间也是有利的，可以动态地伸缩以节省空间，例如作为富客户端的 Java 应用。  
这个问题虽然初级，但是发生的概率还真不小，尤其是在一些规范不太健全的情况下。

3、老年代新生代大小调整

\-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打开对年老代的压缩。可能会影响性能，但是可以消除碎片

更大的新生代必然导致更小的老年代，大的新生代会延长Minor GC的周期，但会增加每次GC的时间；小的年老年代会导致更频繁的Full GC  
更小的新生代必然导致更大老年代，小的新生代会导致Minor GC很频繁，但每次的GC时间会更短；大的老年代会减少Full GC的频率  
如何选择应该依赖应用程序对象生命周期的分布情况：如果应用存在大量的临时对象，应该选择更大的新生代；如果存在相对较多的持久对象，老年代应该适当增大

四、CMS收集器的缺点：

CMS是一款优秀的收集器，它的主要优点是：并发收集、低停顿，但他有以下3个明显的缺点：  
优点：并发收集，低停顿

理由： 由于在整个过程和中最耗时的并发标记和 并发清除过程收集器程序都可以和用户线程一起工作，所以总体来说，Cms收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的

缺点：

1.CMS收集器对CPU资源非常敏感

在并发阶段，虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程使应用程序变慢，总吞吐量会降低，为了解决这种情况，虚拟机提供了一种“增量式并发收集器”

的CMS收集器变种， 就是在并发标记和并发清除的时候让GC线程和用户线程交替运行，尽量减少GC 线程独占资源的时间，这样整个垃圾收集的过程会变长，但是对用户程序的影响会减少。（效果不明显，不推荐）

2. CMS处理器无法处理浮动垃圾

CMS在并发清理阶段线程还在运行， 伴随着程序的运行自然也会产生新的垃圾，这一部分垃圾产生在标记过程之后，CMS无法再当次过程中处理，所以只有等到下次gc时候在清理掉，这一部分垃圾就称作“浮动垃圾” ，

3. CMS是基于“标记--清除”算法实现的，所以在收集结束的时候会有大量的空间碎片产生。空间碎片太多的时候，将会给大对象的分配带来很大的麻烦，往往会出现老年代还有很大的空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象的，只能提前触发 full gc。

为了解决这个问题，CMS提供了一个开关参数，用于在CMS顶不住要进行full gc的时候开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片没有了，但是停顿的时间变长了

五、G1收集器的特点：

G1(Garbage First)是一款面向服务端应用的垃圾收集器。G1具备如下特点：

（一）、G1运作步骤：

1、初始标记(stop the world事件 CPU停顿只处理垃圾)；

2、并发标记(与用户线程并发执行)；

3、最终标记(stop the world事件 ,CPU停顿处理垃圾)；

4、筛选回收(stop the world事件 根据用户期望的GC停顿时间回收)(注意：CMS 在这一步不需要stop the world)（阿里问为何停顿时间可以设置，参考：G1 垃圾收集器架构和如何做到可预测的停顿(阿里)）

（二）、与其他GC收集器相比，G1具备如下特点：

1、并行于并发：G1能充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者CPU核心）来缩短stop-The-World停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让java程序继续执行。

2、分代收集：虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但是还是保留了分代的概念。它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间，熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。

3、空间整合：与CMS的“标记--清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器；从局部上来看是基于“复制”算法实现的。

4、可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一个大优势，降低停顿时间是G1和ＣＭＳ共同的关注点，但Ｇ１除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内

参考：

[https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8663897.html][https_www.cnblogs.com_aspirant_p_8663897.html]

[https://www.jianshu.com/p/b92b08706a12][https_www.jianshu.com_p_b92b08706a12]

[https://zhuanlan.zhihu.com/p/59861022][https_zhuanlan.zhihu.com_p_59861022]

[https_www.cnblogs.com_aspirant_p_8663897.html]: https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8663897.html
[https_www.jianshu.com_p_b92b08706a12]: https://www.jianshu.com/p/b92b08706a12
[https_zhuanlan.zhihu.com_p_59861022]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/59861022