一步步优化JVM五：优化延迟或者响应时间(3)

CMS垃圾回收器周期   

   一旦young的空间大小（包含eden和survivor空间）已经完善得满足应用对MinorGC产生延迟要求，注意力可以转移到优化CMS垃圾回收器，降低最差延迟时间的时间长度以及最小化最差延迟的频率。目标是保持可用的old代空间和并发垃圾回收，避免stop-the-world压缩垃圾回收。

   stop-the-world压缩垃圾回收是垃圾回收影响延迟的最差情况，对某些应用来说，恐怕无法完全避免开这些，但是本节提供的优化信息至少可以减少他们的频率。

   成功的优化CMS垃圾回收器需要达到的效果是old代的里面的垃圾回收的效率要和young代转移对象到old代的效率相同，没有能够完成这个标准可以称为“比赛失败”，比赛失败的结果就是导致stop-the-world压缩垃圾回收。不比赛中失败的一个关键是让下面两个事情结合起来：1、old代有足够的空间。2、启动CMS垃圾回收周期开始时机——快到回收对象的速度比较转移对象来的速度更快。

   CMS周期的启动是基于old代的空间大小的。如果CMS周期开始的太晚，他就会输掉比赛，没有能够快速的回收对象以避免溢出old代空间。如果CMS周期开始得太早，会造成不必要的压力以及影响应用的吞吐量。但是，通常来讲过早的启动总比过晚的启动好。

   HotSpot VM自动地计算出当占用是多少时启动CMS垃圾回收周期。不过在一些场景下，对于避免stop-the-world垃圾回收，他做得并不好。如果观察到stop-the-world垃圾回收，你可以优化该什么时候启动CMS周期。在CMS垃圾回收中，stop-the-world压缩垃圾回收在垃圾回收日志中输出是“concurrent mode failure”，下面一个例子：

   174.445: [GC 174.446: [ParNew: 66408K->66408K(66416K), 0.0000618

   secs]174.446: [CMS ( concurrent mode failure): 161928K->162118K(175104K),

   4.0975124 secs] 228336K->162118K(241520K)

   如果你发现有concurrent mode failure你可以通过下面这个选项来控制什么时候启动CMS垃圾回收：

   

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=

   这个值指定了CMS垃圾回收时old代的空间占用率该是什么值。举例说明，如果你希望old代占用率是65%的时候，启动CMS垃圾回收，你可以设置-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=65。另外一个可以同时使用的选项是

   

-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

   -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly指定HotSpot VM总是使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值作为old的空间使用率限制来启动CMS垃圾回收。如果没有使用-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，那么HotSpot VM只是利用这个值来启动第一次CMS垃圾回收，后面都是使用HotSpot VM自动计算出来的值。

   -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=这个指定的值，应该比垃圾回收之后存活对象的占用率更高，怎么样计算存活对象的大小前面在“决定内存占用”的章节已经说过了。如果不比存活对象的占用量大，CMS垃圾回收器会一直运行。通常的建议是-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值应该是存活对象的占用率的1.5倍。举例说明一下，假如用下面的Java堆选项配置：

   

-Xmx1536m -Xms1536m -Xmn512m

   那么old代的空间大小是1024M（1536-512 = 1024m）。如果存活对象的大小是350M的话，CMS垃圾回收周期的启动阀值应该是old代占用空间是525M，那么占用率就应该是51%（525/1024=51%），这个只是初始值，后面还可能根据垃圾回收日志进行修改。那么修改后的命令行选项是：

   

-Xmx1536m -Xms1536m -Xmn512m  -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly 
   -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=51

   该多早或者多迟启动CMS周期依赖于对象从young代转移到old代的速率，也就是说，old代空间的增长率。如果old代填充速度比较缓慢，你可以晚一些启动CMS周期，如果填充速度很快，那么就需要早一点启动CMS周期，但是不能小于存活对象的占用率。如果需要设置得比存活对象的占用率小，应该是增加old代的空间。

   想知道CMS周期是开始的太早还是太晚，可以通过评估垃圾回收信息识别出来。下面是一个CMS周期开始得太晚的例子。为了更好阅读，稍微修改了输出内容：

[ParNew 742993K->648506K(773376K), 0.1688876 secs]

[ParNew 753466K->659042K(773376K), 0.1695921 secs]

[CMS-initial-mark 661142K(773376K), 0.0861029 secs]

[Full GC 645986K->234335K(655360K), 8.9112629 secs]

[ParNew 339295K->247490K(773376K), 0.0230993 secs]

[ParNew 352450K->259959K(773376K), 0.1933945 secs]

   注意FullGC在CMS-inital-mark之后很快就发生了。CMS-initial-mark是报告CMS周期多个字段中的一个。下面的例子会使用到更多的字段。

    下面是一个CMS开始的太早了的情况：

 

[ParNew 390868K->296358K(773376K), 0.1882258 secs]

[CMS-initial-mark 298458K(773376K), 0.0847541 secs]

[ParNew 401318K->306863K(773376K), 0.1933159 secs]

[CMS-concurrent-mark: 0.787/0.981 secs]

[CMS-concurrent-preclean: 0.149/0.152 secs]

[CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.105/0.183 secs]

[CMS-remark 374049K(773376K), 0.0353394 secs]

[ParNew 407285K->312829K(773376K), 0.1969370 secs]

[ParNew 405554K->311100K(773376K), 0.1922082 secs]

[ParNew 404913K->310361K(773376K), 0.1909849 secs]

[ParNew 406005K->311878K(773376K), 0.2012884 secs]

[CMS-concurrent-sweep: 2.179/2.963 secs]

[CMS-concurrent-reset: 0.010/0.010 secs]

[ParNew 387767K->292925K(773376K), 0.1843175 secs]

[CMS-initial-mark 295026K(773376K), 0.0865858 secs]

[ParNew 397885K->303822K(773376K), 0.1995878 secs]

   CMS-initial-mark表示CMS周期的开始， CMS-initial-sweep和CMS-concurrent-reset表示周期的结束。注意第一个CMS-initial-mark报告堆大小是298458K，然后注意，ParNew MinorGC报告在CMS-initial-mark和CMS-concurrent-reset之间只有很少的占用量变化，堆的占用量可以通过ParNew的->的右边的数值来表示。在这个例子中，CMS周期回收了很少的垃圾，通过在CMS-initial-mark和CMS-concurrent-reset之间只有很少的占用量变化可看出来。这里正确的做法是启动CMS周期用更大的old代空间占用率，通过使用参数

-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly和-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=。基于初始（CMS-initial-mark）占用量是298458K以及Java堆的大小是773376K，就是CMS发生的占用率是35%到40%（298458K/773376K=38.5%），可以使用选项来强制提高占用率的值。

   下面是一个CMS周期回收了大量old代空间的例子，而且没有经历stop-the-world压缩垃圾回收，也就没有并发错误（concurrent mode failure）。同样的修改输出格式：

[ParNew 640710K->546360K(773376K), 0.1839508 secs]

[CMS-initial-mark 548460K(773376K), 0.0883685 secs]

[ParNew 651320K->556690K(773376K), 0.2052309 secs]

[CMS-concurrent-mark: 0.832/1.038 secs]

[CMS-concurrent-preclean: 0.146/0.151 secs]

[CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.181/0.181 secs]

[CMS-remark 623877K(773376K), 0.0328863 secs]

[ParNew 655656K->561336K(773376K), 0.2088224 secs]

[ParNew 648882K->554390K(773376K), 0.2053158 secs]

[ParNew 489586K->395012K(773376K), 0.2050494 secs]

[ParNew 463096K->368901K(773376K), 0.2137257 secs]

[CMS-concurrent-sweep: 4.873/6.745 secs]

[CMS-concurrent-reset: 0.010/0.010 secs]

[ParNew 445124K->350518K(773376K), 0.1800791 secs]

[ParNew 455478K->361141K(773376K), 0.1849950 secs]

   在这个例子中，在CMS周期开始的时候，CMS-initial-mark表明占用量是548460K。在CMS周期开始和结束（CMS-concurrent-reset）之间，ParNew MinorGC报告显著的减少了对象的占用量。尤其，在CMS-concurrent-sweep之前，占用量从561336K降低到了368901K。这个表明在CMS周期中，有190M空间被垃圾回收。需要注意的是，在CMS-concurrent-sweep之后的第一个ParNew MinorGC报告的占用量是350518K。这个说明超过190M被垃圾回收（561336K-350518K=210818K=205.88M）。

   如果你决定优化CMS周期的启动，多尝试几个不同的old代占用率。监控垃圾回收信息以及分析这些信息可以帮助你做出正确的决定。

强制的垃圾回收

   如果你想要观察通过调用System.gc()来启动的FullGC，当使用用CMS的时候，有两种方法来处理这种情况。

   1、你可以请求HotSpot VM执行System.gc()的时候使用CMS周期，使用如下命令选项：

 

 -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent
   或者
   -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses

   第一个选项在Java 6及更新版本中能够使用，第二选项在从Java 6 Update 4之后才有。如果可以，建议使用后者。

   2、你可以请求HotSpot VM选项忽视强制的调用System.gc()，可以使用如下选项:

   

-XX:+DisableExplicitGC

   这个选项用来让其他垃圾回收器忽略System.gc()请求。

   

   当关闭的强制垃圾回收需要小心，这样做可能对Java性能产生很大的影响，关闭这个功能就像使用System.gc()一样需要明确的理由。

   在垃圾回收日志里面找出明确的垃圾回收信息是非常容易的。垃圾回收的输出里面包含了一段文字来说明FullGC是用于调用System.gc().下面是一个例子:

2010-12-16T23:04:39.452-0600: [Full GC (System)

[CMS: 418061K->428608K(16384K), 0.2539726 secs]

418749K->4288608K(31168K),

[CMS Perm : 32428K->32428K(65536K)],0.2540393 secs]

[Times: user=0.12 sys=0.01, real=0.25 secs]

   注意Full GC后面的（System）标签，这个说明是System.gc()引起的FullGC。如果你在垃圾回收日志里面观察到了明确的FullGC，想想为什么会出现、是否需要关闭、是否需要把应用源代码里面的相关代码删除掉，对CMS垃圾回收周期是否有意义。

并发的Permanent代垃圾回收

    FullGC发生可能是由于permanent空间满了引起的，监控FullGC垃圾回收信息，然后观察Permanent代的占用量，判断FullGC是否是由于permanent区域满了引起的。下面是一个由于permanent代满了引起的FullGC的例子:

2010-12-16T17:14:32.533-0600: [Full GC

[CMS: 95401K->287072K(1048576K), 0.5317934 secs]

482111K->287072K(5190464K),

[CMS Perm : 65534K->58281K(65536K)], 0.5319635 secs]

[Times: user=0.53 sys=0.00, real=0.53 secs]

    注意permanent代的空间占用量，通过CMS Perm :标签识别。permanent代空间大小是括号里面的值，65536K。在FullGC之前permanent代的占用量是->左边的值，65534K，FullGC之后的值是58281K。可以看到的是，在FullGC之前，permanent代的占用量以及基本上和permanent代的容量非常接近了，这个说明，FullGC是由Permanent代空间溢出导致的。同样需要注意的是，old代还没有到溢出空间的时候，而且没有证据说明CMS周期启动了。

   HotSpot VM默认情况下，CMS不会垃圾回收permanent代空间，尽管垃圾回收日志里面有CMS Perm标签。为让CMS回收permanent代的空间，可以用过下面这个命令选项来做到:

   

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled

   如果使用Java 6 update 3及之前的版本，你必须指定一个命令选项:

 

 -XX:+CMSPermGenSweepingEnabled

   你可以控制permanent的空间占用率来启动CMS permanent代垃圾回收通过下面这个命令选项:

   

-XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction=

   这个参数的功能和-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction很像，他指的是启动CMS周期的permanent代的占用率。这个参数同样需要和-XX:+CMSClassUnloadingEnabled配合使用。如果你想一直使用-XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction的值作为启动CMS周期的条件，你必须要指定另外一个选项:

   

-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

CMS暂停时间优化

   在CMS周期里面，有两个阶段是stop-the-world阶段，这个阶段所有的应用线程都被阻塞了。这两阶段是“初始标记”阶段和“再标记”阶段，尽管初始标记解决是单线程的，但是通过不需要花费太长时间，至少比其他垃圾回收的时间短。再标记阶段是多线程的，线程数可通过命令选项来控制：

   

-XX:ParallelGCThreads=

   在Java 6 update 23之后，默认值是通过Runtime.availableProcessors()来确定的，不过是建立在返回值小于等于8的情况下，反之，会使用Runtime.availableProcessors()*5/8作为线程数。如果有多个程序运行在同一个机器上面，建议使用比默认线程数更少的线程数。否则，垃圾回收可能会引起其他应用的性能下降，由于在同一个时刻，垃圾回收器使用太多的线程。

   在某些情况下设置下面这个选项可以减少再标记的时间：

   

-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

   这个选项强制HotSpot VM在FullGC之前执行MinorGC，在再标记步骤之前做MinorGC，可以减少再标记的工作量，由于减少了young代的对象数，这些对象能够在old代获取到的。

   如果应用有大量的引用或者finalizable对象需要处理，指定下面这个选项可以减少垃圾回收的时间:

   

-XX:+ParallelRefProcEnabled

   这个选项可以用HotSpot VM的任何一种垃圾回收器上，他会是用多个的引用处理线程，而不是单个线程。这个选项不会启用多线程运行方法的finalizer。他会使用很多线程去发现需要排队通知的finalizable对象。

下一步

   这一步结束，你需要看看应用的延迟需要是否满足了,无论是使用throughput垃圾回收器或者并发垃圾回收器。如果没有能够满足应用的需要，那么回头看看需求是否合理或者修改应用程序。如果满足了应用的需求，那么我们就进入下一步——优化吞吐量。

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