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很多低延遲高可用Java服務(wù)的系統(tǒng)可用性經(jīng)常受GC停頓的困擾，作為新一代的低延遲垃圾回收器，ZGC在大內(nèi)存低延遲服務(wù)的內(nèi)存管理和回收方面，有著非常不錯(cuò)的表現(xiàn)。本文從GC之痛、ZGC原理、ZGC調(diào)優(yōu)實(shí)踐、升級(jí)ZGC效果等維度展開(kāi)，詳述了ZGC在美團(tuán)低延時(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用，以及在生產(chǎn)環(huán)境中取得的一些成果。希望這些實(shí)踐對(duì)大家有所幫助或者啟發(fā)。
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ZGC(The Z Garbage Collector)是JDK 11中推出的一款低延遲垃圾回收器，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：
- 停頓時(shí)間不超過(guò)10ms;
- 停頓時(shí)間不會(huì)隨著堆的大小，或者活躍對(duì)象的大小而增加;
- 支持8MB~4TB級(jí)別的堆(未來(lái)支持16TB)。
從設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)看，我們知道ZGC適用于大內(nèi)存低延遲服務(wù)的內(nèi)存管理和回收。本文主要介紹ZGC在低延時(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用和卓越表現(xiàn)，文章內(nèi)容主要分為四部分：
- GC之痛：介紹實(shí)際業(yè)務(wù)中遇到的GC痛點(diǎn)，并分析CMS收集器和G1收集器停頓時(shí)間瓶頸;
- ZGC原理：分析ZGC停頓時(shí)間比G1或CMS更短的本質(zhì)原因，以及背后的技術(shù)原理;
- ZGC調(diào)優(yōu)實(shí)踐：重點(diǎn)分享對(duì)ZGC調(diào)優(yōu)的理解，并分析若干個(gè)實(shí)際調(diào)優(yōu)案例;
- 升級(jí)ZGC效果：展示在生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)用ZGC取得的效果。
GC之痛
很多低延遲高可用Java服務(wù)的系統(tǒng)可用性經(jīng)常受GC停頓的困擾。GC停頓指垃圾回收期間STW(Stop The World)，當(dāng)STW時(shí)，所有應(yīng)用線程停止活動(dòng)，等待GC停頓結(jié)束。
以美團(tuán)風(fēng)控服務(wù)為例，部分上游業(yè)務(wù)要求風(fēng)控服務(wù)65ms內(nèi)返回結(jié)果，并且可用性要達(dá)到99.99%。但因?yàn)镚C停頓，我們未能達(dá)到上述可用性目標(biāo)。當(dāng)時(shí)使用的是CMS垃圾回收器，單次Young GC 40ms，一分鐘10次，接口平均響應(yīng)時(shí)間30ms。通過(guò)計(jì)算可知，有( 40ms + 30ms ) * 10次 / 60000ms = 1.12%的請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加0 ~ 40ms不等，其中30ms * 10次 / 60000ms = 0.5%的請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加40ms。
可見(jiàn)，GC停頓對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響較大。為了降低GC停頓對(duì)系統(tǒng)可用性的影響，我們從降低單次GC時(shí)間和降低GC頻率兩個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行了調(diào)優(yōu)，還測(cè)試過(guò)G1垃圾回收器，但這三項(xiàng)措施均未能降低GC對(duì)服務(wù)可用性的影響。
CMS與G1停頓時(shí)間瓶頸
在介紹ZGC之前，首先回顧一下CMS和G1的GC過(guò)程以及停頓時(shí)間的瓶頸。CMS新生代的Young GC、G1和ZGC都基于標(biāo)記-復(fù)制算法，但算法具體實(shí)現(xiàn)的不同就導(dǎo)致了巨大的性能差異。
標(biāo)記-復(fù)制算法應(yīng)用在CMS新生代(ParNew是CMS默認(rèn)的新生代垃圾回收器)和G1垃圾回收器中。標(biāo)記-復(fù)制算法可以分為三個(gè)階段：
- 標(biāo)記階段，即從GC Roots集合開(kāi)始，標(biāo)記活躍對(duì)象;
- 轉(zhuǎn)移階段，即把活躍對(duì)象復(fù)制到新的內(nèi)存地址上;
- 重定位階段，因?yàn)檗D(zhuǎn)移導(dǎo)致對(duì)象的地址發(fā)生了變化，在重定位階段，所有指向?qū)ο笈f地址的指針都要調(diào)整到對(duì)象新的地址上。
下面以G1為例，通過(guò)G1中標(biāo)記-復(fù)制算法過(guò)程(G1的Young GC和Mixed GC均采用該算法)，分析G1停頓耗時(shí)的主要瓶頸。G1垃圾回收周期如下圖所示：
G1的混合回收過(guò)程可以分為標(biāo)記階段、清理階段和復(fù)制階段。
標(biāo)記階段停頓分析
- 初始標(biāo)記階段：初始標(biāo)記階段是指從GC Roots出發(fā)標(biāo)記全部直接子節(jié)點(diǎn)的過(guò)程，該階段是STW的。由于GC Roots數(shù)量不多，通常該階段耗時(shí)非常短。
- 并發(fā)標(biāo)記階段：并發(fā)標(biāo)記階段是指從GC Roots開(kāi)始對(duì)堆中對(duì)象進(jìn)行可達(dá)性分析，找出存活對(duì)象。該階段是并發(fā)的，即應(yīng)用線程和GC線程可以同時(shí)活動(dòng)。并發(fā)標(biāo)記耗時(shí)相對(duì)長(zhǎng)很多，但因?yàn)椴皇荢TW，所以我們不太關(guān)心該階段耗時(shí)的長(zhǎng)短。
- 再標(biāo)記階段：重新標(biāo)記那些在并發(fā)標(biāo)記階段發(fā)生變化的對(duì)象。該階段是STW的。
清理階段停頓分析
- 清理階段清點(diǎn)出有存活對(duì)象的分區(qū)和沒(méi)有存活對(duì)象的分區(qū)，該階段不會(huì)清理垃圾對(duì)象，也不會(huì)執(zhí)行存活對(duì)象的復(fù)制。該階段是STW的。
復(fù)制階段停頓分析
- 復(fù)制算法中的轉(zhuǎn)移階段需要分配新內(nèi)存和復(fù)制對(duì)象的成員變量。轉(zhuǎn)移階段是STW的，其中內(nèi)存分配通常耗時(shí)非常短，但對(duì)象成員變量的復(fù)制耗時(shí)有可能較長(zhǎng)，這是因?yàn)閺?fù)制耗時(shí)與存活對(duì)象數(shù)量與對(duì)象復(fù)雜度成正比。對(duì)象越復(fù)雜，復(fù)制耗時(shí)越長(zhǎng)。
四個(gè)STW過(guò)程中，初始標(biāo)記因?yàn)橹粯?biāo)記GC Roots，耗時(shí)較短。再標(biāo)記因?yàn)閷?duì)象數(shù)少，耗時(shí)也較短。清理階段因?yàn)閮?nèi)存分區(qū)數(shù)量少，耗時(shí)也較短。轉(zhuǎn)移階段要處理所有存活的對(duì)象，耗時(shí)會(huì)較長(zhǎng)。因此，G1停頓時(shí)間的瓶頸主要是標(biāo)記-復(fù)制中的轉(zhuǎn)移階段STW。為什么轉(zhuǎn)移階段不能和標(biāo)記階段一樣并發(fā)執(zhí)行呢?主要是G1未能解決轉(zhuǎn)移過(guò)程中準(zhǔn)確定位對(duì)象地址的問(wèn)題。
G1的Young GC和CMS的Young GC，其標(biāo)記-復(fù)制全過(guò)程STW，這里不再詳細(xì)闡述。
ZGC原理
全并發(fā)的ZGC
與CMS中的ParNew和G1類似，ZGC也采用標(biāo)記-復(fù)制算法，不過(guò)ZGC對(duì)該算法做了重大改進(jìn)：ZGC在標(biāo)記、轉(zhuǎn)移和重定位階段幾乎都是并發(fā)的，這是ZGC實(shí)現(xiàn)停頓時(shí)間小于10ms目標(biāo)的最關(guān)鍵原因。
ZGC垃圾回收周期如下圖所示：
ZGC只有三個(gè)STW階段：初始標(biāo)記，再標(biāo)記，初始轉(zhuǎn)移。其中，初始標(biāo)記和初始轉(zhuǎn)移分別都只需要掃描所有GC Roots，其處理時(shí)間和GC Roots的數(shù)量成正比，一般情況耗時(shí)非常短;再標(biāo)記階段STW時(shí)間很短，最多1ms，超過(guò)1ms則再次進(jìn)入并發(fā)標(biāo)記階段。即，ZGC幾乎所有暫停都只依賴于GC Roots集合大小，停頓時(shí)間不會(huì)隨著堆的大小或者活躍對(duì)象的大小而增加。與ZGC對(duì)比，G1的轉(zhuǎn)移階段完全STW的，且停頓時(shí)間隨存活對(duì)象的大小增加而增加。
ZGC關(guān)鍵技術(shù)
ZGC通過(guò)著色指針和讀屏障技術(shù)，解決了轉(zhuǎn)移過(guò)程中準(zhǔn)確訪問(wèn)對(duì)象的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了并發(fā)轉(zhuǎn)移。大致原理描述如下：并發(fā)轉(zhuǎn)移中“并發(fā)”意味著GC線程在轉(zhuǎn)移對(duì)象的過(guò)程中，應(yīng)用線程也在不停地訪問(wèn)對(duì)象。假設(shè)對(duì)象發(fā)生轉(zhuǎn)移，但對(duì)象地址未及時(shí)更新，那么應(yīng)用線程可能訪問(wèn)到舊地址，從而造成錯(cuò)誤。而在ZGC中，應(yīng)用線程訪問(wèn)對(duì)象將觸發(fā)“讀屏障”，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)象被移動(dòng)了，那么“讀屏障”會(huì)把讀出來(lái)的指針更新到對(duì)象的新地址上，這樣應(yīng)用線程始終訪問(wèn)的都是對(duì)象的新地址。那么，JVM是如何判斷對(duì)象被移動(dòng)過(guò)呢?就是利用對(duì)象引用的地址，即著色指針。下面介紹著色指針和讀屏障技術(shù)細(xì)節(jié)。
著色指針
| 著色指針是一種將信息存儲(chǔ)在指針中的技術(shù)。
ZGC僅支持64位系統(tǒng)，它把64位虛擬地址空間劃分為多個(gè)子空間，如下圖所示：
其中，[0~4TB) 對(duì)應(yīng)Java堆，[4TB ~ 8TB) 稱為M0地址空間，[8TB ~ 12TB) 稱為M1地址空間，[12TB ~ 16TB) 預(yù)留未使用，[16TB ~ 20TB) 稱為Remapped空間。
當(dāng)應(yīng)用程序創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，首先在堆空間申請(qǐng)一個(gè)虛擬地址，但該虛擬地址并不會(huì)映射到真正的物理地址。ZGC同時(shí)會(huì)為該對(duì)象在M0、M1和Remapped地址空間分別申請(qǐng)一個(gè)虛擬地址，且這三個(gè)虛擬地址對(duì)應(yīng)同一個(gè)物理地址，但這三個(gè)空間在同一時(shí)間有且只有一個(gè)空間有效。ZGC之所以設(shè)置三個(gè)虛擬地址空間，是因?yàn)樗褂谩翱臻g換時(shí)間”思想，去降低GC停頓時(shí)間?！翱臻g換時(shí)間”中的空間是虛擬空間，而不是真正的物理空間。后續(xù)章節(jié)將詳細(xì)介紹這三個(gè)空間的切換過(guò)程。
與上述地址空間劃分相對(duì)應(yīng)，ZGC實(shí)際僅使用64位地址空間的第0~41位，而第42~45位存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)，第47~63位固定為0。
ZGC將對(duì)象存活信息存儲(chǔ)在42~45位中，這與傳統(tǒng)的垃圾回收并將對(duì)象存活信息放在對(duì)象頭中完全不同。
讀屏障
| 讀屏障是JVM向應(yīng)用代碼插入一小段代碼的技術(shù)。當(dāng)應(yīng)用線程從堆中讀取對(duì)象引用時(shí)，就會(huì)執(zhí)行這段代碼。需要注意的是，僅“從堆中讀取對(duì)象引用”才會(huì)觸發(fā)這段代碼。
讀屏障示例：
- Object o = obj.FieldA // 從堆中讀取引用，需要加入屏障
- Object p = o // 無(wú)需加入屏障，因?yàn)椴皇菑亩阎凶x取引用
- o.dosomething() // 無(wú)需加入屏障，因?yàn)椴皇菑亩阎凶x取引用
- int i = obj.FieldB //無(wú)需加入屏障，因?yàn)椴皇菍?duì)象引用
ZGC中讀屏障的代碼作用：在對(duì)象標(biāo)記和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，用于確定對(duì)象的引用地址是否滿足條件，并作出相應(yīng)動(dòng)作。
ZGC并發(fā)處理演示
接下來(lái)詳細(xì)介紹ZGC一次垃圾回收周期中地址視圖的切換過(guò)程：
- 初始化：ZGC初始化之后，整個(gè)內(nèi)存空間的地址視圖被設(shè)置為Remapped。程序正常運(yùn)行，在內(nèi)存中分配對(duì)象，滿足一定條件后垃圾回收啟動(dòng)，此時(shí)進(jìn)入標(biāo)記階段。
- 并發(fā)標(biāo)記階段：第一次進(jìn)入標(biāo)記階段時(shí)視圖為M0，如果對(duì)象被GC標(biāo)記線程或者應(yīng)用線程訪問(wèn)過(guò)，那么就將對(duì)象的地址視圖從Remapped調(diào)整為M0。所以，在標(biāo)記階段結(jié)束之后，對(duì)象的地址要么是M0視圖，要么是Remapped。如果對(duì)象的地址是M0視圖，那么說(shuō)明對(duì)象是活躍的;如果對(duì)象的地址是Remapped視圖，說(shuō)明對(duì)象是不活躍的。
- 并發(fā)轉(zhuǎn)移階段：標(biāo)記結(jié)束后就進(jìn)入轉(zhuǎn)移階段，此時(shí)地址視圖再次被設(shè)置為Remapped。如果對(duì)象被GC轉(zhuǎn)移線程或者應(yīng)用線程訪問(wèn)過(guò)，那么就將對(duì)象的地址視圖從M0調(diào)整為Remapped。
其實(shí)，在標(biāo)記階段存在兩個(gè)地址視圖M0和M1，上面的過(guò)程顯示只用了一個(gè)地址視圖。之所以設(shè)計(jì)成兩個(gè)，是為了區(qū)別前一次標(biāo)記和當(dāng)前標(biāo)記。即第二次進(jìn)入并發(fā)標(biāo)記階段后，地址視圖調(diào)整為M1，而非M0。
著色指針和讀屏障技術(shù)不僅應(yīng)用在并發(fā)轉(zhuǎn)移階段，還應(yīng)用在并發(fā)標(biāo)記階段：將對(duì)象設(shè)置為已標(biāo)記，傳統(tǒng)的垃圾回收器需要進(jìn)行一次內(nèi)存訪問(wèn)，并將對(duì)象存活信息放在對(duì)象頭中;而在ZGC中，只需要設(shè)置指針地址的第42~45位即可，并且因?yàn)槭羌拇嫫髟L問(wèn)，所以速度比訪問(wèn)內(nèi)存更快。
ZGC調(diào)優(yōu)實(shí)踐
ZGC不是“銀彈”，需要根據(jù)服務(wù)的具體特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。網(wǎng)絡(luò)上能搜索到實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)較少，調(diào)優(yōu)理論需自行摸索，我們?cè)诖穗A段也耗費(fèi)了不少時(shí)間，最終才達(dá)到理想的性能。本文的一個(gè)目的是列舉一些使用ZGC時(shí)常見(jiàn)的問(wèn)題，幫助大家使用ZGC提高服務(wù)可用性。
調(diào)優(yōu)基礎(chǔ)知識(shí)
理解ZGC重要配置參數(shù)
以我們服務(wù)在生產(chǎn)環(huán)境中ZGC參數(shù)配置為例，說(shuō)明各個(gè)參數(shù)的作用：
重要參數(shù)配置樣例：
- -Xms10G -Xmx10G
- -XX:ReservedCodeCacheSize=256m -XX:InitialCodeCacheSize=256m
- -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC
- -XX:ConcGCThreads=2 -XX:ParallelGCThreads=6
- -XX:ZCollectionInterval=120 -XX:ZAllocationSpikeTolerance=5
- -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:-ZProactive
- -Xlog:safepoint,classhisto*=trace,age*,gc*=info:file=/opt/logs/logs/gc-%t.log:time,tid,tags:filecount=5,filesize=50m
- -Xms -Xmx：堆的最大內(nèi)存和最小內(nèi)存，這里都設(shè)置為10G，程序的堆內(nèi)存將保持10G不變。
- -XX:ReservedCodeCacheSize -XX:InitialCodeCacheSize: 設(shè)置CodeCache的大小， JIT編譯的代碼都放在CodeCache中，一般服務(wù)64m或128m就已經(jīng)足夠。我們的服務(wù)因?yàn)橛幸欢ㄌ厥庑?，所以設(shè)置的較大，后面會(huì)詳細(xì)介紹。
- -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC：?jiǎn)⒂肸GC的配置。
- -XX:ConcGCThreads：并發(fā)回收垃圾的線程。默認(rèn)是總核數(shù)的12.5%，8核CPU默認(rèn)是1。調(diào)大后GC變快，但會(huì)占用程序運(yùn)行時(shí)的CPU資源，吞吐會(huì)受到影響。
- -XX:ParallelGCThreads：STW階段使用線程數(shù)，默認(rèn)是總核數(shù)的60%。
- -XX:ZCollectionInterval：ZGC發(fā)生的最小時(shí)間間隔，單位秒。
- -XX:ZAllocationSpikeTolerance：ZGC觸發(fā)自適應(yīng)算法的修正系數(shù)，默認(rèn)2，數(shù)值越大，越早的觸發(fā)ZGC。
- -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:-ZProactive：是否啟用主動(dòng)回收，默認(rèn)開(kāi)啟，這里的配置表示關(guān)閉。
- -Xlog：設(shè)置GC日志中的內(nèi)容、格式、位置以及每個(gè)日志的大小。
理解ZGC觸發(fā)時(shí)機(jī)
相比于CMS和G1的GC觸發(fā)機(jī)制，ZGC的GC觸發(fā)機(jī)制有很大不同。ZGC的核心特點(diǎn)是并發(fā)，GC過(guò)程中一直有新的對(duì)象產(chǎn)生。如何保證在GC完成之前，新產(chǎn)生的對(duì)象不會(huì)將堆占滿，是ZGC參數(shù)調(diào)優(yōu)的第一大目標(biāo)。因?yàn)樵赯GC中，當(dāng)垃圾來(lái)不及回收將堆占滿時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正在運(yùn)行的線程停頓，持續(xù)時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)秒級(jí)之久。
ZGC有多種GC觸發(fā)機(jī)制，總結(jié)如下：
- 阻塞內(nèi)存分配請(qǐng)求觸發(fā)：當(dāng)垃圾來(lái)不及回收，垃圾將堆占滿時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分線程阻塞。我們應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)這種觸發(fā)方式。日志中關(guān)鍵字是“Allocation Stall”。
- 基于分配速率的自適應(yīng)算法：最主要的GC觸發(fā)方式，其算法原理可簡(jiǎn)單描述為”ZGC根據(jù)近期的對(duì)象分配速率以及GC時(shí)間，計(jì)算出當(dāng)內(nèi)存占用達(dá)到什么閾值時(shí)觸發(fā)下一次GC”。自適應(yīng)算法的詳細(xì)理論可參考彭成寒《新一代垃圾回收器ZGC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》一書(shū)中的內(nèi)容。通過(guò)ZAllocationSpikeTolerance參數(shù)控制閾值大小，該參數(shù)默認(rèn)2，數(shù)值越大，越早的觸發(fā)GC。我們通過(guò)調(diào)整此參數(shù)解決了一些問(wèn)題。日志中關(guān)鍵字是“Allocation Rate”。
- 基于固定時(shí)間間隔：通過(guò)ZCollectionInterval控制，適合應(yīng)對(duì)突增流量場(chǎng)景。流量平穩(wěn)變化時(shí)，自適應(yīng)算法可能在堆使用率達(dá)到95%以上才觸發(fā)GC。流量突增時(shí)，自適應(yīng)算法觸發(fā)的時(shí)機(jī)可能會(huì)過(guò)晚，導(dǎo)致部分線程阻塞。我們通過(guò)調(diào)整此參數(shù)解決流量突增場(chǎng)景的問(wèn)題，比如定時(shí)活動(dòng)、秒殺等場(chǎng)景。日志中關(guān)鍵字是“Timer”。
- 主動(dòng)觸發(fā)規(guī)則：類似于固定間隔規(guī)則，但時(shí)間間隔不固定，是ZGC自行算出來(lái)的時(shí)機(jī)，我們的服務(wù)因?yàn)橐呀?jīng)加了基于固定時(shí)間間隔的觸發(fā)機(jī)制，所以通過(guò)-ZProactive參數(shù)將該功能關(guān)閉，以免GC頻繁，影響服務(wù)可用性。日志中關(guān)鍵字是“Proactive”。
- 預(yù)熱規(guī)則：服務(wù)剛啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，一般不需要關(guān)注。日志中關(guān)鍵字是“Warmup”。
- 外部觸發(fā)：代碼中顯式調(diào)用System.gc()觸發(fā)。日志中關(guān)鍵字是“System.gc()”。
- 元數(shù)據(jù)分配觸發(fā)：元數(shù)據(jù)區(qū)不足時(shí)導(dǎo)致，一般不需要關(guān)注。日志中關(guān)鍵字是“Metadata GC Threshold”。
理解ZGC日志
一次完整的GC過(guò)程，需要注意的點(diǎn)已在圖中標(biāo)出。
注意：該日志過(guò)濾了進(jìn)入安全點(diǎn)的信息。正常情況，在一次GC過(guò)程中還穿插著進(jìn)入安全點(diǎn)的操作。
GC日志中每一行都注明了GC過(guò)程中的信息，關(guān)鍵信息如下：
- Start：開(kāi)始GC，并標(biāo)明的GC觸發(fā)的原因。上圖中觸發(fā)原因是自適應(yīng)算法。
- Phase-Pause Mark Start：初始標(biāo)記，會(huì)STW。
- Phase-Pause Mark End：再次標(biāo)記，會(huì)STW。
- Phase-Pause Relocate Start：初始轉(zhuǎn)移，會(huì)STW。
- Heap信息：記錄了GC過(guò)程中Mark、Relocate前后的堆大小變化狀況。High和Low記錄了其中的最大值和最小值，我們一般關(guān)注High中Used的值，如果達(dá)到100%，在GC過(guò)程中一定存在內(nèi)存分配不足的情況，需要調(diào)整GC的觸發(fā)時(shí)機(jī)，更早或者更快地進(jìn)行GC。
- GC信息統(tǒng)計(jì)：可以定時(shí)的打印垃圾收集信息，觀察10秒內(nèi)、10分鐘內(nèi)、10個(gè)小時(shí)內(nèi)，從啟動(dòng)到現(xiàn)在的所有統(tǒng)計(jì)信息。利用這些統(tǒng)計(jì)信息，可以排查定位一些異常點(diǎn)。
日志中內(nèi)容較多，關(guān)鍵點(diǎn)已用紅線標(biāo)出，含義較好理解，更詳細(xì)的解釋大家可以自行在網(wǎng)上查閱資料。
理解ZGC停頓原因
我們?cè)趯?shí)戰(zhàn)過(guò)程中共發(fā)現(xiàn)了6種使程序停頓的場(chǎng)景，分別如下：
- GC時(shí)，初始標(biāo)記：日志中Pause Mark Start。
- GC時(shí)，再標(biāo)記：日志中Pause Mark End。
- GC時(shí)，初始轉(zhuǎn)移：日志中Pause Relocate Start。
- 內(nèi)存分配阻塞：當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)線程會(huì)阻塞等待GC完成，關(guān)鍵字是"Allocation Stall"。
- 安全點(diǎn)：所有線程進(jìn)入到安全點(diǎn)后才能進(jìn)行GC，ZGC定期進(jìn)入安全點(diǎn)判斷是否需要GC。先進(jìn)入安全點(diǎn)的線程需要等待后進(jìn)入安全點(diǎn)的線程直到所有線程掛起。
- dump線程、內(nèi)存：比如jstack、jmap命令。
調(diào)優(yōu)案例
我們維護(hù)的服務(wù)名叫Zeus，它是美團(tuán)的規(guī)則平臺(tái)，常用于風(fēng)控場(chǎng)景中的規(guī)則管理。規(guī)則運(yùn)行是基于開(kāi)源的表達(dá)式執(zhí)行引擎Aviator。Aviator內(nèi)部將每一條表達(dá)式轉(zhuǎn)化成Java的一個(gè)類，通過(guò)調(diào)用該類的接口實(shí)現(xiàn)表達(dá)式邏輯。
Zeus服務(wù)內(nèi)的規(guī)則數(shù)量超過(guò)萬(wàn)條，且每臺(tái)機(jī)器每天的請(qǐng)求量幾百萬(wàn)。這些客觀條件導(dǎo)致Aviator生成的類和方法會(huì)產(chǎn)生很多的ClassLoader和CodeCache，這些在使用ZGC時(shí)都成為過(guò)GC的性能瓶頸。接下來(lái)介紹兩類調(diào)優(yōu)案例。
內(nèi)存分配阻塞，系統(tǒng)停頓可達(dá)到秒級(jí)
案例一：秒殺活動(dòng)中流量突增，出現(xiàn)性能毛刺
日志信息：對(duì)比出現(xiàn)性能毛刺時(shí)間點(diǎn)的GC日志和業(yè)務(wù)日志，發(fā)現(xiàn)JVM停頓了較長(zhǎng)時(shí)間，且停頓時(shí)GC日志中有大量的“Allocation Stall”日志。
分析：這種案例多出現(xiàn)在“自適應(yīng)算法”為主要GC觸發(fā)機(jī)制的場(chǎng)景中。ZGC是一款并發(fā)的垃圾回收器，GC線程和應(yīng)用線程同時(shí)活動(dòng)，在GC過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生新的對(duì)象。GC完成之前，新產(chǎn)生的對(duì)象將堆占滿，那么應(yīng)用線程可能因?yàn)樯暾?qǐng)內(nèi)存失敗而導(dǎo)致線程阻塞。當(dāng)秒殺活動(dòng)開(kāi)始，大量請(qǐng)求打入系統(tǒng)，但自適應(yīng)算法計(jì)算的GC觸發(fā)間隔較長(zhǎng)，導(dǎo)致GC觸發(fā)不及時(shí)，引起了內(nèi)存分配阻塞，導(dǎo)致停頓。
解決方法：
開(kāi)啟”基于固定時(shí)間間隔“的GC觸發(fā)機(jī)制：-XX:ZCollectionInterval。比如調(diào)整為5秒，甚至更短。
增大修正系數(shù)-XX:ZAllocationSpikeTolerance，更早觸發(fā)GC。ZGC采用正態(tài)分布模型預(yù)測(cè)內(nèi)存分配速率，模型修正系數(shù)ZAllocationSpikeTolerance默認(rèn)值為2，值越大，越早的觸發(fā)GC，Zeus中所有集群設(shè)置的是5。
案例二：壓測(cè)時(shí)，流量逐漸增大到一定程度后，出現(xiàn)性能毛刺
日志信息：平均1秒GC一次，兩次GC之間幾乎沒(méi)有間隔。
分析：GC觸發(fā)及時(shí)，但內(nèi)存標(biāo)記和回收速度過(guò)慢，引起內(nèi)存分配阻塞，導(dǎo)致停頓。
解決方法：增大-XX:ConcGCThreads，加快并發(fā)標(biāo)記和回收速度。ConcGCThreads默認(rèn)值是核數(shù)的1/8，8核機(jī)器，默認(rèn)值是1。該參數(shù)影響系統(tǒng)吞吐，如果GC間隔時(shí)間大于GC周期，不建議調(diào)整該參數(shù)。
GC Roots 數(shù)量大，單次GC停頓時(shí)間長(zhǎng)
案例三：?jiǎn)未蜧C停頓時(shí)間30ms，與預(yù)期停頓10ms左右有較大差距
日志信息：觀察ZGC日志信息統(tǒng)計(jì)，“Pause Roots ClassLoaderDataGraph”一項(xiàng)耗時(shí)較長(zhǎng)。
分析：dump內(nèi)存文件，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有上萬(wàn)個(gè)ClassLoader實(shí)例。我們知道ClassLoader屬于GC Roots一部分，且ZGC停頓時(shí)間與GC Roots成正比，GC Roots數(shù)量越大，停頓時(shí)間越久。再進(jìn)一步分析，ClassLoader的類名表明，這些ClassLoader均由Aviator組件生成。分析Aviator源碼，發(fā)現(xiàn)Aviator對(duì)每一個(gè)表達(dá)式新生成類時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)ClassLoader，這導(dǎo)致了ClassLoader數(shù)量巨大的問(wèn)題。在更高Aviator版本中，該問(wèn)題已經(jīng)被修復(fù)，即僅創(chuàng)建一個(gè)ClassLoader為所有表達(dá)式生成類。
解決方法：升級(jí)Aviator組件版本，避免生成多余的ClassLoader。
案例四：服務(wù)啟動(dòng)后，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，單次GC時(shí)間越長(zhǎng)，重啟后恢復(fù)
日志信息：觀察ZGC日志信息統(tǒng)計(jì)，“Pause Roots CodeCache”的耗時(shí)會(huì)隨著服務(wù)運(yùn)行時(shí)間逐漸增長(zhǎng)。
分析：CodeCache空間用于存放Java熱點(diǎn)代碼的JIT編譯結(jié)果，而CodeCache也屬于GC Roots一部分。通過(guò)添加-XX:+PrintCodeCacheOnCompilation參數(shù)，打印CodeCache中的被優(yōu)化的方法，發(fā)現(xiàn)大量的Aviator表達(dá)式代碼。定位到根本原因，每個(gè)表達(dá)式都是一個(gè)類中一個(gè)方法。隨著運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，執(zhí)行次數(shù)增加，這些方法會(huì)被JIT優(yōu)化編譯進(jìn)入到Code Cache中，導(dǎo)致CodeCache越來(lái)越大。
解決方法：JIT有一些參數(shù)配置可以調(diào)整JIT編譯的條件，但對(duì)于我們的問(wèn)題都不太適用。我們最終通過(guò)業(yè)務(wù)優(yōu)化解決，刪除不需要執(zhí)行的Aviator表達(dá)式，從而避免了大量Aviator方法進(jìn)入CodeCache中。
值得一提的是，我們并不是在所有這些問(wèn)題都解決后才全量部署所有集群。即使開(kāi)始有各種各樣的毛刺，但計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，有各種問(wèn)題的ZGC也比之前的CMS對(duì)服務(wù)可用性影響小。所以從開(kāi)始準(zhǔn)備使用ZGC到全量部署，大概用了2周的時(shí)間。在之后的3個(gè)月時(shí)間里，我們邊做業(yè)務(wù)需求，邊跟進(jìn)這些問(wèn)題，最終逐個(gè)解決了上述問(wèn)題，從而使ZGC在各個(gè)集群上達(dá)到了一個(gè)更好表現(xiàn)。
升級(jí)ZGC效果
延遲降低
| TP(Top Percentile)是一項(xiàng)衡量系統(tǒng)延遲的指標(biāo)：TP999表示99.9%請(qǐng)求都能被響應(yīng)的最小耗時(shí);TP99表示99%請(qǐng)求都能被響應(yīng)的最小耗時(shí)。
在Zeus服務(wù)不同集群中，ZGC在低延遲(TP999 < 200ms)場(chǎng)景中收益較大：
- TP999：下降12~142ms，下降幅度18%~74%。
- TP99：下降5~28ms，下降幅度10%~47%。
超低延遲(TP999 < 20ms)和高延遲(TP999 > 200ms)服務(wù)收益不大，原因是這些服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間瓶頸不是GC，而是外部依賴的性能。
吞吐下降
對(duì)吞吐量?jī)?yōu)先的場(chǎng)景，ZGC可能并不適合。例如，Zeus某離線集群原先使用CMS，升級(jí)ZGC后，系統(tǒng)吞吐量明顯降低。究其原因有二：第一，ZGC是單代垃圾回收器，而CMS是分代垃圾回收器。單代垃圾回收器每次處理的對(duì)象更多，更耗費(fèi)CPU資源;第二，ZGC使用讀屏障，讀屏障操作需耗費(fèi)額外的計(jì)算資源。
總結(jié)
ZGC作為下一代垃圾回收器，性能非常優(yōu)秀。ZGC垃圾回收過(guò)程幾乎全部是并發(fā)，實(shí)際STW停頓時(shí)間極短，不到10ms。這得益于其采用的著色指針和讀屏障技術(shù)。
Zeus在升級(jí)JDK 11+ZGC中，通過(guò)將風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題分類，然后各個(gè)擊破，最終順利實(shí)現(xiàn)了升級(jí)目標(biāo)，GC停頓也幾乎不再影響系統(tǒng)可用性。
最后推薦大家升級(jí)ZGC，Zeus系統(tǒng)因?yàn)闃I(yè)務(wù)特點(diǎn)，遇到了較多問(wèn)題，而風(fēng)控其他團(tuán)隊(duì)在升級(jí)時(shí)都非常順利。
附錄
如何使用新技術(shù)
在生產(chǎn)環(huán)境升級(jí)JDK 11，使用ZGC，大家最關(guān)心的可能不是效果怎么樣，而是這個(gè)新版本用的人少，網(wǎng)上實(shí)踐也少，靠不靠譜，穩(wěn)不穩(wěn)定。其次是升級(jí)成本會(huì)不會(huì)很大，萬(wàn)一不成功豈不是白白浪費(fèi)時(shí)間。所以，在使用新技術(shù)前，首先要做的是評(píng)估收益、成本和風(fēng)險(xiǎn)。
評(píng)估收益
對(duì)于JDK這種世界關(guān)注的程序，大版本升級(jí)所引入的新技術(shù)一般已經(jīng)在理論上經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。我們要做的事情就是確定當(dāng)前系統(tǒng)的瓶頸是否是新版本JDK可解決的問(wèn)題，切忌問(wèn)題未診斷清楚就采取措施。評(píng)估完收益之后再評(píng)估成本和風(fēng)險(xiǎn)，收益過(guò)大或者過(guò)小，其他兩項(xiàng)影響權(quán)重就會(huì)小很多。
以本文開(kāi)頭提到的案例為例，假設(shè)GC次數(shù)不變(10次/分鐘)，且單次GC時(shí)間從40ms降低10ms。通過(guò)計(jì)算，一分鐘內(nèi)有100/60000 = 0.17%的時(shí)間在進(jìn)行GC，且期間所有請(qǐng)求僅停頓10ms，GC期間影響的請(qǐng)求數(shù)和因GC增加的延遲都有所減少。
評(píng)估成本
這里主要指升級(jí)所需要的人力成本。此項(xiàng)相對(duì)比較成熟，根據(jù)新技術(shù)的使用手冊(cè)判斷改動(dòng)點(diǎn)。跟做其他項(xiàng)目區(qū)別不大，不再具體細(xì)說(shuō)。
在我們的實(shí)踐中，兩周時(shí)間完成線上部署，達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。后續(xù)持續(xù)迭代3個(gè)月，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)ZGC進(jìn)行了更契合的優(yōu)化適配。
評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)
升級(jí)JDK的風(fēng)險(xiǎn)可以分為三類：
- 兼容性風(fēng)險(xiǎn)：Java程序JAR包依賴很多，升級(jí)JDK版本后程序是否能運(yùn)行起來(lái)。例如我們的服務(wù)是從JDK 7升級(jí)到JDK 11，需要解決較多JAR包不兼容的問(wèn)題。
- 功能風(fēng)險(xiǎn)：運(yùn)行起來(lái)后，是否會(huì)有一些組件邏輯變更，影響現(xiàn)有功能的邏輯。
- 性能風(fēng)險(xiǎn)：功能如果沒(méi)有問(wèn)題，性能是否穩(wěn)定，能穩(wěn)定的在線上運(yùn)行。
經(jīng)過(guò)分類后，每類風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)化成了常見(jiàn)的測(cè)試問(wèn)題，不再屬于未知風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)是指不確定的事情，如果不確定的事情都能轉(zhuǎn)化成可確定的事情，意味著風(fēng)險(xiǎn)已消除。
升級(jí)JDK 11
選擇JDK 11，是因?yàn)樵贘DK 11中首次支持ZGC，而且JDK 11屬于長(zhǎng)期支持(Long Term Support，LTS)版本，至少會(huì)被維護(hù)三年，普通版本(如JDK 12、JDK 13和JDK 14)只有6個(gè)月的維護(hù)周期，不建議使用。
本地測(cè)試環(huán)境安裝
從兩個(gè)源OpenJDK和OracleJDK下載JDK 11，二個(gè)版本的JDK主要區(qū)別是長(zhǎng)時(shí)期的免費(fèi)和付費(fèi)，短期內(nèi)都免費(fèi)。注意JDK 11版本中的ZGC不支持Mac OS系統(tǒng)，在Mac OS系統(tǒng)上使用JDK 11只能用其他垃圾回收器，如G1。
生產(chǎn)環(huán)境安裝
升級(jí)JDK 11不僅僅是升級(jí)自己項(xiàng)目的JDK版本，還需要編譯、發(fā)布部署、運(yùn)行、監(jiān)控、性能內(nèi)存分析工具等項(xiàng)目支持。美團(tuán)內(nèi)部的實(shí)踐：
編譯打包：美團(tuán)發(fā)布系統(tǒng)支持選擇JDK 11進(jìn)行編譯打包。
線上運(yùn)行 & 全量部署：要求線上機(jī)器已安裝JDK 11，有3種方式：
- 新申請(qǐng)默認(rèn)安裝JDK 11的虛擬機(jī)：試用JDK 11時(shí)可用這種方式;全量部署時(shí)，如果新申請(qǐng)機(jī)器數(shù)量過(guò)多，可能沒(méi)有足夠機(jī)器資源。
- 通過(guò)手寫(xiě)腳本給存量虛擬機(jī)安裝JDK 11：不推薦，業(yè)務(wù)同學(xué)過(guò)多參與到運(yùn)維當(dāng)中。
- 使用容器提供的鏡像部署功能，在打包鏡像時(shí)安裝JDK 11：推薦方式，不需要新申請(qǐng)資源。
監(jiān)控指標(biāo)：主要是GC的時(shí)間和頻率，我們通過(guò)美團(tuán)的CAT監(jiān)控系統(tǒng)支持ZGC數(shù)據(jù)的收集(CAT已開(kāi)源)。
性能內(nèi)存分析：線上遇到性能問(wèn)題時(shí)，還需要借助Profiling工具，美團(tuán)的性能診斷優(yōu)化平臺(tái)Scalpel已支持JDK 11的性能內(nèi)存分析。如果你的公司沒(méi)有相關(guān)工具，推薦使用JProfier。
解決組件兼容性
我們的項(xiàng)目包含二十多萬(wàn)行代碼，需要從JDK 7升級(jí)到JDK 11，依賴組件眾多。雖然看起來(lái)升級(jí)會(huì)比較復(fù)雜，但實(shí)際只花了兩天時(shí)間即解決了兼容性問(wèn)題。具體過(guò)程如下：
1. 編譯，需要修改pom文件中的build配置，根據(jù)報(bào)錯(cuò)作修改，主要有兩類：
a. 一些類被刪除：比如“sun.misc.BASE64Encoder”，找到替換類java.util.Base64即可。
b. 組件依賴版本不兼容JDK 11問(wèn)題：找到對(duì)應(yīng)依賴組件，搜索最新版本，一般都支持JDK 11。
2. 編譯成功后，啟動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)仍有可能組件依賴版本問(wèn)題，按照編譯時(shí)的方式處理即可。
升級(jí)所修改的依賴：
javax.annotation javax.annotation-api 1.3.2 javax.validation validation-api 2.0.1.Final org.projectlombok lombok 1.18.4 org.hibernate.validator hibernate-validator-parent 6.0.16.Final com.sankuai.inf patriot-sdk 1.2.1 org.apache.commons commons-lang3 3.9 commons-lang commons-lang 2.6 io.netty netty-all 4.1.39.Final junit junit 4.12
JDK 11已經(jīng)出來(lái)兩年，常見(jiàn)的依賴組件都有兼容性版本。但是，如果是公司內(nèi)部提供的公司級(jí)組件，可能會(huì)不兼容JDK 11，需要推動(dòng)相關(guān)組件進(jìn)行升級(jí)。如果對(duì)方升級(jí)較為困難，可以考慮拆分功能，將依賴這些組件的功能單獨(dú)部署，繼續(xù)使用低版本JDK。隨著JDK 11的卓越性能被大家悉知，相信會(huì)有更多團(tuán)隊(duì)會(huì)用JDK 11解決GC問(wèn)題，使用者越多，各個(gè)組件升級(jí)的動(dòng)力也會(huì)越大。
驗(yàn)證功能正確性
通過(guò)完備的單測(cè)、集成和回歸測(cè)試，保證功能正確性。
作者簡(jiǎn)介
王東，美團(tuán)信息安全資深工程師。
王偉，美團(tuán)信息安全技術(shù)專家。
分享文章：新一代垃圾回收器ZGC的探索與實(shí)踐
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