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Java GC算法——日志解读与分析（GC参数基础配置分析）

2023-06-25 367
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日志服务 SLS，月写入数据量 50GB 1个月
简介： GC日志解读入门

1. 触发GC的示例代码

为了演示需要，代码如下：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;

public class GCLogAnalysis {
   
   
    private static Random random = new Random();

    public static void main(String[] args) {
   
   
        // 当前毫秒时间戳
        long startMillis = System.currentTimeMillis();
        // 持续运行毫秒数; 可根据需要进行修改
        //
        long timeoutMillis = TimeUnit.SECONDS.toMillis(1);
        // 结束时间戳
        long endMillis = startMillis + timeoutMillis;
        LongAdder counter = new LongAdder();
        System.out.println("正在执行...");
        // 缓存一部分对象; 进入老年代

        int cacheSize = 2000;
        Object[] cachedGarbage = new Object[cacheSize];
        // 在此时间范围内,持续循环
        while (System.currentTimeMillis() < endMillis) {
   
   
            // 生成垃圾对象
            Object garbage = generateGarbage(100 * 1024);
            counter.increment();
            int randomIndex = random.nextInt(2 * cacheSize);
            if (randomIndex < cacheSize) {
   
   
                cachedGarbage[randomIndex] = garbage;
            }
        }
        System.out.println("执行结束!共生成对象次数:" + counter.longValue());
    }

    // 生成对象
    private static Object generateGarbage(int max) {
   
   
        int randomSize = random.nextInt(max);
        int type = randomSize % 4;
        Object result = null;
        switch (type) {
   
   
            case 0:
                result = new int[randomSize];
                break;
            case 1:
                result = new byte[randomSize];
                break;
            case 2:
                result = new double[randomSize];
                break;
            default:
                StringBuilder builder = new StringBuilder();
                String randomString = "randomString-Anything";
                while (builder.length() < randomSize) {
   
   
                    builder.append(randomString);
                    builder.append(max);
                    builder.append(randomSize);
                }
                result = builder.toString();
                break;
        }
        return result;
    }
}

在 main 方法中，我们用一个数组来随机存放一部分生成的对象，这样可以模拟让部分对象晋升到老年代。

一般来说，Java中的大对象主要就是各种各样的数组，比如开发中最常见的字符串，实际上 String内部就是使用字符数组 char[] 来存储的。

2. 常见的GC日志参数

我这里使用JDK命令行，可以使用 javac 工具来编译成class文件，使用 java 命令来执行class文件

JDK8以上版本，java和javac命令可以合并成一个，java命令编译和执行是一起的，执行.java文件就可以出结果

因为我这里是JDK8演示，所以就java命令执行class文件作为示范。

2.1 输出日志详情

加上启动参数 -XX:+PrintGCDetails ，打印GC日志详情，再次执行示例

D:\javaPractice\javaPracticeTest\out\production\javaPracticeTest>java -XX:+PrintGCDetails GCLogAnalysis

执行后可以看到GC的情况如下，后面我们一步步分析：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 65024K->10735K(75776K)] 65024K->23220K(249344K), 0.0046033 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 75759K->10745K(140800K)] 88244K->45325K(314368K), 0.0065771 secs] [Times: user=0.03 sys=0.03, real=0.01 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 140793K->10747K(140800K)] 175373K->84823K(314368K), 0.0094744 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 140795K->10742K(270848K)] 214871K->125146K(444416K), 0.0097900 secs] [Times: user=0.03 sys=0.03, real=0.01 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 270838K->10746K(270848K)] 385242K->200111K(460800K), 0.0159145 secs] [Times: user=0.03 sys=0.03, real=0.02 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 10746K->0K(270848K)] [ParOldGen: 189365K->166267K(326656K)] 200111K->166267K(597504K), [Metaspace: 2608K->2608K(1056768K)], 0.021
6138 secs] [Times: user=0.11 sys=0.01, real=0.02 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 260096K->83528K(540672K)] 426363K->249795K(867328K), 0.0181100 secs] [Times: user=0.05 sys=0.02, real=0.02 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 540232K->102898K(591360K)] 706499K->357559K(918016K), 0.0314269 secs] [Times: user=0.09 sys=0.03, real=0.03 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 102898K->0K(591360K)] [ParOldGen: 254661K->278543K(483840K)] 357559K->278543K(1075200K), [Metaspace: 2608K->2608K(1056768K)], 0.0
355931 secs] [Times: user=0.13 sys=0.01, real=0.04 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 488448K->140935K(949760K)] 766991K->419478K(1433600K), 0.0328920 secs] [Times: user=0.03 sys=0.08, real=0.03 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 925831K->183280K(968192K)] 1204374K->545835K(1452032K), 0.0670426 secs] [Times: user=0.05 sys=0.11, real=0.07 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 968176K->247283K(1060352K)] 1330731K->655186K(1544192K), 0.0844278 secs] [Times: user=0.05 sys=0.11, real=0.08 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 247283K->0K(1060352K)] [ParOldGen: 407903K->374258K(601600K)] 655186K->374258K(1661952K), [Metaspace: 2608K->2608K(1056768K)], 0.
0570233 secs] [Times: user=0.13 sys=0.00, real=0.06 secs]
执?结束!共生成对象次数:12932
Heap
 PSYoungGen      total 1060352K, used 32874K [0x000000076b600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 813056K, 4% used [0x000000076b600000,0x000000076d61aae8,0x000000079d000000)
  from space 247296K, 0% used [0x00000007b0e80000,0x00000007b0e80000,0x00000007c0000000)
  to   space 286720K, 0% used [0x000000079d000000,0x000000079d000000,0x00000007ae800000)
 ParOldGen       total 601600K, used 374258K [0x00000006c2200000, 0x00000006e6d80000, 0x000000076b600000)
  object space 601600K, 62% used [0x00000006c2200000,0x00000006d8f7cb40,0x00000006e6d80000)
 Metaspace       used 2615K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 288K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

可以看到，使用启动参数 -XX:+PrintGCDetails ，发生GC时会输出相关的GC日志。

这个参数的格式为: -XX:+ ，这个加号+是一个布尔值开关，关闭就是减号-

来分析一下日志：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 65024K->10735K(75776K)] 65024K->23220K(249344K), 0.0046033 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

  • [GC (Allocation Failure)] 表示GC的原因是内存分配失败

  • [PSYoungGen: 65024K->10735K(75776K)] 表示GC前年轻代占用内存65024K，GC后年轻代占用内存为10735K，年轻代总内存75776K

  • 65024K->23220K(249344K) 表示GC前占用的堆内存是65024K，GC后占用的堆内存为23220K，此时总堆内存为249344K

细心的朋友可以观察到，每次GC后，年轻代、老年代和堆内存容量都在扩大，那是因为jvm有自适应参数，可以关掉-XX:-UseAdaptiveSizePolicy，这样容量就是一样的了

java -XX:+PrintGCDetails -XX:-UseAdaptiveSizePolicy GCLogAnalysis

如果大家看了我前一篇文章：Java GC算法背景原理与内存池划分
我在里面提到“如果对象经历了一定的GC次数后仍然存活，那么它们就会挪到老年代。比如默认情况下是15次”，结果我们观察前面两次Full GC日志发现，GC不到15次，结果年轻代就挪到老年代了

[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 10746K->0K(270848K)] [ParOldGen: 189365K->166267K(326656K)] 200111K->166267K(597504K), [Metaspace: 2608K->2608K(1056768K)], 0.021
6138 secs] [Times: user=0.11 sys=0.01, real=0.02 secs]
......
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 102898K->0K(591360K)] [ParOldGen: 254661K->278543K(483840K)] 357559K->278543K(1075200K), [Metaspace: 2608K->2608K(1056768K)], 0.0
355931 secs] [Times: user=0.13 sys=0.01, real=0.04 secs]
......

  第一次Full GC根据日志还看不出是否年轻代对象有移动到老年代，第二次就看得出了，ParOldGen: 254661K->278543K(483840K)，经过Full GC后，老年代占用的内存居然还增加了，这就是年轻代对象提升到老年代的结果。

  从上面日志可以计算出，第二次Full GC时，年轻代对象全部晋升到老年代。

  为什么GC不到15次就提升了呢？15是最大值，到了15次是强制提升到老年代，但是不代表GC小于15次时，年轻代对象就不提升到老年代。如果存活区S0和S1空间不足以存放这些年轻代的对象，提升到老年代的动作会更早的进行。

  在程序执行完成后、JVM关闭前，还会输出各个内存池的使用情况， 从最后面的输出中可以看到。 下面我们来简单解读上面输出的堆内存信息。

Heap 堆内存使用情况

Heap
 PSYoungGen      total 1060352K, used 32874K [0x000000076b600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 813056K, 4% used [0x000000076b600000,0x000000076d61aae8,0x000000079d000000)
  from space 247296K, 0% used [0x00000007b0e80000,0x00000007b0e80000,0x00000007c0000000)
  to   space 286720K, 0% used [0x000000079d000000,0x000000079d000000,0x00000007ae800000)
  • PSYoungGen，年轻代总计 1060352K，使用量 32874K，后面的方括号中是内存地址信息
  • 其中 eden space 占用了 813056K， 其中 4% used
  • 其中 from space 占用了 247296K， 其中 0% used
  • 其中 to space 占用了 286720K， 其中 0% used
 ParOldGen       total 601600K, used 374258K [0x00000006c2200000, 0x00000006e6d80000, 0x000000076b600000)
  object space 601600K, 62% used [0x00000006c2200000,0x00000006d8f7cb40,0x00000006e6d80000)
  • ParOldGen， 老年代总计 total 601600K， 使用量 374258K
    • 其中 object space 占用了 601600K， 其中 62% used
 Metaspace       used 2615K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 288K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
  • Metaspace， 元数据区总计使用了 2615K， 容量是 4486K， JVM保证可用的大小是 4864K， 保留空间1056768K
    • 其中 class space 使用了 288K， capacity 386K

2.2 指定输出GC日志文件

我们在前面的基础上， 加上启动参数 -Xloggc:gc.demo.log

java -XX:+PrintGCDetails -Xloggc:gc.demo.log  GCLogAnalysis

提示: 从JDK8开始，支持使用 %p ， %t 等占位符来指定GC输出文件。分别表示进程pid和启动时间 戳。例如: -Xloggc:gc.%p.log ; -Xloggc:gc-%t.log ; 在某些情况下，将每次JVM执行的GC日志输出到不同的文件可以方便排查问题。 如果业务访问量大，导致GC日志文件太大，可以开启GC日志轮换，分割成多个文件，可以参考： https://blog.gceasy.io/2016/11/15/rotating-gc-log-files 

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.212-b10) for windows-amd64 JRE (1.8.0_212-b10), built on Apr  1 2019 22:50:23 by "java_re" with MS VC++ 10.0 (VS2010)
Memory: 4k page, physical 16633820k(5272488k free), swap 24466864k(4759596k free)
CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=266141120 -XX:MaxHeapSize=4258257920 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseParallelGC 
0.119: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 64788K->10731K(75776K)] 64788K->22484K(249344K), 0.0046170 secs] [Times: user=0.00 sys=0.02, real=0.00 secs] 
0.137: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 75705K->10734K(140800K)] 87457K->40418K(314368K), 0.0059229 secs] [Times: user=0.02 sys=0.03, real=0.01 secs] 
0.177: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 140777K->10739K(140800K)] 170461K->81464K(314368K), 0.0095714 secs] [Times: user=0.00 sys=0.01, real=0.01 secs] 
0.203: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 140787K->10742K(270848K)] 211512K->119655K(444416K), 0.0083573 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
0.275: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 270838K->10735K(270848K)] 379751K->197582K(457728K), 0.0161735 secs] [Times: user=0.02 sys=0.03, real=0.02 secs] 
0.291: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 10735K->0K(270848K)] [ParOldGen: 186846K->168343K(332288K)] 197582K->168343K(603136K), [Metaspace: 2608K->2608K(1056768K)], 0.0242948 secs] [Times: user=0.13 sys=0.00, real=0.02 secs] 
0.353: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 260091K->91088K(540160K)] 428435K->259431K(872448K), 0.0151566 secs] [Times: user=0.02 sys=0.05, real=0.01 secs] 
0.485: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 540112K->109043K(593920K)] 708455K->361812K(926208K), 0.0424333 secs] [Times: user=0.02 sys=0.11, real=0.04 secs] 
0.528: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 109043K->0K(593920K)] [ParOldGen: 252769K->275830K(484352K)] 361812K->275830K(1078272K), [Metaspace: 2608K->2608K(1056768K)], 0.0449918 secs] [Times: user=0.11 sys=0.02, real=0.04 secs] 
0.660: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 484864K->139121K(934400K)] 760694K->414951K(1418752K), 0.0349132 secs] [Times: user=0.03 sys=0.06, real=0.04 secs] 
0.829: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 902513K->187385K(950784K)] 1178343K->544621K(1435136K), 0.0657464 secs] [Times: user=0.09 sys=0.11, real=0.06 secs] 
0.991: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 950777K->251378K(1020416K)] 1308013K->654723K(1504768K), 0.0679324 secs] [Times: user=0.08 sys=0.13, real=0.07 secs] 
1.059: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 251378K->0K(1020416K)] [ParOldGen: 403344K->371836K(604672K)] 654723K->371836K(1625088K), [Metaspace: 2608K->2608K(1056768K)], 0.0540675 secs] [Times: user=0.19 sys=0.00, real=0.05 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 1020416K, used 30969K [0x000000076b600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 769024K, 4% used [0x000000076b600000,0x000000076d43e698,0x000000079a500000)
  from space 251392K, 0% used [0x00000007b0a80000,0x00000007b0a80000,0x00000007c0000000)
  to   space 308736K, 0% used [0x000000079a500000,0x000000079a500000,0x00000007ad280000)
 ParOldGen       total 604672K, used 371836K [0x00000006c2200000, 0x00000006e7080000, 0x000000076b600000)
  object space 604672K, 61% used [0x00000006c2200000,0x00000006d8d1f230,0x00000006e7080000)
 Metaspace       used 2615K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 288K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

我们可以发现， 加上 -Xloggc: 参数之后， GC日志信息输出到日志文件中

文件里最前面是JVM相关信息， 比如内存页面大小， 物理内存大小， 剩余内存等信息

然后是 CommandLine flags 这部分内容。 在分析GC日志文件时，命令行参数也是一项重要的参考。 因为可能你拿到了日志文件，却不知道线上的配置，日志文件中打印了这个信息，能有效减少分析排查时间。比如你可以看到用了哪些GC日志参数

指定 -Xloggc: 参数，自动加上了 -XX:+PrintGCTimeStamps 配置，观察GC日志文件可以看到， 每一行前面多了一个时间戳（如 0.119: ），表示JVM启动后经过的时间（单位秒）

细心的同学还可以发现，JDK8默认使用的垃圾收集器参数: -XX:+UseParallelGC

2.3 打印GC事件发生的日期和时间

在前面的基础上，加上启动参数 -XX:+PrintGCDateStamps ，再次执行

java -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.demo.log  GCLogAnalysis

  加上 -XX:+PrintGCDateStamps 参数之后，GC日志每一行前面，都打印了GC发生时的具体时间。如 2021-12-16T15:52:22.926+0800 ，表示的是： 东8区时间2021年12月16日15:52:22秒.926毫秒

2.4 指定堆内存的大小

从前面的示例中可以看到输出GC日志文件时有的 CommandLine flags 信息。

即使我们没有指定堆内存，JVM在启动时也会自动算出一个默认值出来。 例如： -XX:InitialHeapSize=266141120 -XX:MaxHeapSize=4258257920 等价于 -Xms256m -Xmx4g 配置。

我们现在继续增加参数，这次加上启动参数 -Xms512m -Xmx512m ，再次执行

java -Xms512m -Xmx512m -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.demo.log  GCLogAnalysis

此时堆内存的初始值和最大值都是512MB。具体的参数可根据实际需要配置，我们为了演示，使用了一个较小的堆内存配置，实际肯定比这大

2.5 指定垃圾收集器

一般来说，使用JDK8时我们可以使用以下几种垃圾收集器：

 -XX:+UseSerialGC 
 -XX:+UseParallelGC 
 -XX:+UseParallelGC  -XX:+UseParallelOldGC 
 -XX:+UseConcMarkSweepGC 
 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC 
 -XX:+UseG1GC
  • 使用串行垃圾收集器： -XX:+UseSerialGC
  • 使用并行垃圾收集器： -XX:+UseParallelGC 和 -XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC 是等价的, 可以通过GC日志文件中的flags看出来。
  • 用CMS垃圾收集器： -XX:+UseConcMarkSweepGC 和 -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC 是等价的。 但如果只指定 -XX:+UseParNewGC 参数则老年代GC会 使用SerialGC。使用CMS时，命令行参数中会自动计算出年轻代、老年代的初始值和最大值，以及最大晋升阈值等信息（例如 -XX:MaxNewSize=178958336 -XX:NewSize=178958336 -XX:OldSize=357912576 ）。
  • 使用 G1垃圾收集器： -XX:+UseG1GC 。原则上不能指定G1垃圾收集器的年轻代大小，否则不仅是画蛇添足，更是自废武功了。因为G1的回收方式是小批量划定区块（region）进行，可能一次普通GC中 既有年轻代又有老年代，可能某个区块一会是老年代，一会又变成年轻代了。

如果使用不支持的GC组合，会启动失败，报fatal错误。

2.6 其他参数

JVM里还有一些GC日志相关的参数， 例如：

  • -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 可以输出每次GC的持续时间和程序暂停时间；
  • -XX:+PrintReferenceGC 输出GC清理了多少引用类型。

大部分情况下，配置GC参数并不是越多越好。原则上只配置最重要的几个参数即可，其他的都保持默认值。

3. GC事件的类型

一般来说，垃圾收集事件(Garbage Collection events)可以分为三种类型：

  • Minor GC(小型GC)
  • Major GC(大型GC)
  • Full GC(完全GC)

虽然 Minor GC ， Major GC 和 Full GC 这几个词汇到处都在用，但官方并没有给出标准的定义。 这些术语出现在官方的各种分析工具和垃圾收集日志中，并不是很统一。官方的文档和工具之间也常常混淆，这些混淆甚至根植于标准的JVM工具中。

MinorGC 称为 小型GC ，还是 次要GC 更合理呢? 辨析：在大部分情况下， 发生在年轻代的 Minor GC 次数更多， 有些文章将次数更多的GC称为次要 GC 明显是不太合理的。
在这里

  • 将 Minor GC 翻译为小型GC ，而不是次要GC；
  • 将 Major GC 翻译为大型GC， 而不是主要GC；
  • 将 Full GC 翻译为完全GC，有时候也直接称为 Full GC。

3.1 Minor GC（小型GC）

收集年轻代内存的GC事件称为 Minor GC 。关于 Minor GC 事件， 我们需要了解一些相关的内容：

  1. 当JVM无法为新对象分配内存空间时就会触发 Minor GC （ 一般就是 Eden 区用满了）。 如果对象的分配速率很快， 那么 Minor GC 的次数也就会很多，频率也就会很快。
  2. Minor GC 事件不处理老年代， 所以会把所有从老年代指向年轻代的引用都当做 GC Root 。从年 轻代指向老年代的引用则在标记阶段被忽略。
  3. 与我们一般的认知相反， Minor GC 每次都会引起STW停顿（stop-the-world）， 挂起所有的应用线程。 对大部分应用程序来说， Minor GC 的暂停时间可以忽略不计，因为 Eden 区里面的对象大部分都是垃圾，也不怎么复制到存活区/老年代。 但如果不符合这种情况，那么很多新创建的对象就不能被 GC清理， Minor GC 的停顿时间就会增大，就会产生比较明显的GC性能影响。

简单定义： Minor GC 清理的是年轻代，又或者说 Minor GC 就是 年轻代GC （ Young GC ，简称YGC）

3.2 Major GC vs. Full GC

值得一提的是，这几个术语都没有正式的定义--无论是在JVM规范中还是在GC论文中。

我们知道，除了 Minor GC 外，另外两种GC事件则是：

  • Major GC(大型GC) ：清理老年代空间（Old Space）的GC事件。

  • Full GC(完全GC) ：清理整个堆内存空间的GC事件，包括年轻代空间和老年代空间。

    其实 Major GC 和 Full GC 有时候并不能很好地区分。更复杂的情况是， 很多 Major GC 是由Minor GC 触发的，所以很多情况下这两者是不可分离的。

    另外，像G1这种垃圾收集算法，是每次找一小部分区域来进行清理，这部分区域中可能有一部分是年轻代，另一部分区域属于老年代。

    所以我们不要太纠结具体是叫 Major GC 呢还是叫 Full GC ，它们一般都会造成单次较长时间的STW 暂停。所以我们需要关注的是：某次GC事件，是暂停了所有线程、进而对系统造成了性能影响呢，还是与其他业务线程并发执行、暂停时间几乎可以忽略不计。

后续文章会写指定各个垃圾回收器时的GC日志，请大家继续关注



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