一次CMS GC问题排查过程（理解原理+读懂GC日志）

这个是之前处理过的一个线上问题，处理过程断断续续，经历了两周多的时间，中间各种尝试，总结如下。这篇文章分三部分：

1、问题的场景和处理过程；2、GC的一些理论东西；3、看懂GC的日志

先说一下问题吧

问题场景：线上机器在半夜会推送一个700M左右的数据，这个时候有个数据置换的过程，也就是说有700M*2的数据在heap区域中，线上系统超时比较多，导致了很严重（严重程度就不说了）的问题。

问题原因：看日志，系统接口超时的时候，系统出现了FullGC，这个时候stop-the-world了，也就停机了。分析gc的日志，发现有promotion failed，根据FullGC触发的条件，这个时候就会出现FullGC了。日志如下：

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2013 - 11 -27T03: 00 : 53.638 + 0800 :  35333.562 : [GC  35333.562 : [ParNew (promotion failed): 1877376K->1877376K(1877376K),  15.7989680  secs] 35349.361 : [CMS: 2144171K->2129287K(2146304K),  10.4200280  sec s] 3514052K->2129287K(4023680K), [CMS Perm : 119979K->118652K(190132K)],  26.2193500  secs] [Times: user= 30.35  sys= 5.19 , real= 26.22  secs]

问题解决：中间调整过几次，先搞了几台机器做了验证，后来逐步推广的。

1、调大heap区，由原来的4g，调整到5g，young区的大小不变，还是2g，这时候old区就由2g变为3g了（这样保证old区有足够的空间）；

2、设置-XX：UseCMSInitiatingOccupancyOnly，其实这个不关这个问题，只是发现半夜CMS进行的有点频繁，就禁止掉了悲观策略；

3、设置CMS区回收的比例，从80%调整到75%，让old区尽早的进行，有足够的空间剩余；

 

为什么要有GC（垃圾回收）？

JVM通过GC来回收堆和方法区中的内存，GC的基本原理就是找到程序中不再被使用的对象，然后回收掉这些对象占用的内存。

 

主要的收集器有哪些？

引用计数器和跟踪计数器两种。

引用计数器记录对象是否被引用，当计数器为零时，说明对象已经不再被使用，可以进行回收。java中的对象有复杂的引用关系，不是很适合引用计数器，所以sun jdk中并没有实现这种GC方式。

跟踪收集器，全局记录数据的引用状态，基于一定的条件触发。执行的时候，从根集合开始扫描对象的引用关系，主要有复制（copying）、标记-清除（Mark-Sweep）、标记-压缩(Mark-Compact)那种算法。

 

跟踪计数器的三种算法简介？

复制：从根集合搜扫描出存活的对象，然后将存活的对象复制到一块新的未使用的空间中，当要回收的空间中存活的对象较少时，比较高效；

标记清除：从根集合开始扫描，对存活的对象进行标记，比较完毕后，再扫描整个空间中未标记的对象，然后进行回收，不需要对对象进行移动；

标记压缩：标记形式和“标记清除”一样，但是回收不存活的对象后，会把所有存活的对象在内存空间中进行移动，好处是减少了内存碎片，缺点是成本比较高；

 

java内存区域的形式是啥样的？

这里就不再介绍了，之前有一篇文章中专门介绍这个的（ http://iamzhongyong.iteye.com/blog/1333100）。

 

新生代可用的GC？

新生代中对象存活的时间比较短，因此给予Copying算法实现，Eden区域存放新创建的对象，S0和S1区其中一块用于存放在Minor GC的时候作为复制存活对象的目标空间，另外一块清空。

串行GC（Serial GC）比较适合单CPU的情况，可以通过-XX：UseSerialGC来强行制定；

并行回收GC（Parallel Scavenge），启动的时候按照设置的参数来划定Eden/S0/S1区域的大小，但是在运行时，会根据Minor GC的频率、消耗时间来动态调整三个区域的大小，可以用过-XX：UseAdaptiveSizePolicy来固定大小，不进行动态调整；

并行GC（ParNew）划分Eden、S1、S0的区域上和串行GC一样。并行GC需要配合旧生代使用CMS GC（这是他和并行回收GC的不同）（如果配置了CMS GC的方式，那么新生代默认采取的就是并行GC的方式）；

 

啥时候会触发Minor GC？

当Eden区域分配内存时，发现空间不足，JVM就会触发Minor GC，程序中System.gc()也可以来触发。

 

旧生代可用的GC方式有哪几种？

串行GC（Serial MSC）、并行GC（Parallel MSC）、并发GC（CMS）；

 

关于CMS？

采用CMS时候，新生代必须使用Serial GC或者ParNew GC两种。CMS共有七个步骤，只有Initial Marking和Final Marking两个阶段是stop-the-world的，其他步骤均和应用并行进行。持久代的GC也采用CMS，通过-XX：CMSPermGenSweepingEnabled -XX：CMSClassUnloadingEnabled来制定。在采用cms gc的情况下，ygc变慢的原因通常是由于old gen出现了大量的碎片。

 

为啥CMS会有内存碎片，如何避免？

由于在CMS的回收步骤中，没有对内存进行压缩，所以会有内存碎片出现，CMS提供了一个整理碎片的功能，通过-XX：UseCompactAtFullCollection来启动此功能，启动这个功能后，默认每次执行Full GC的时候会进行整理（也可以通过-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction=n来制定多少次Full GC之后来执行整理），整理碎片会stop-the-world.

 

啥时候会触发CMS GC？

1、旧生代或者持久代已经使用的空间达到设定的百分比时（CMSInitiatingOccupancyFraction这个设置old区，perm区也可以设置）；

2、JVM自动触发(JVM的动态策略，也就是悲观策略)（基于之前GC的频率以及旧生代的增长趋势来评估决定什么时候开始执行），如果不希望JVM自行决定，可以通过-XX：UseCMSInitiatingOccupancyOnly=true来制定；

3、设置了 -XX：CMSClassUnloadingE考虑nabled 这个则考虑Perm区；

 

啥时候会触发Full GC？

一、旧生代空间不足：java.lang.outOfMemoryError：java heap space；

二、Perm空间满：java.lang.outOfMemoryError：PermGen space；

三、CMS GC时出现promotion failed  和concurrent  mode failure（Concurrent mode failure发生的原因一般是CMS正在进行，但是由于old区内存不足，需要尽快回收old区里面的死的java对象，这个时候foreground gc需要被触发，停止所有的java线程，同时终止CMS，直接进行MSC。）；

四、统计得到的minor GC晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间；

五、主动触发Full GC（执行jmap -histo:live [pid]）来避免碎片问题；

 

为啥heap小于3g不建议使用CMS GC这种方式？

http://hellojava.info/?p=142 毕大师的这篇文章讲的很清楚。

1、触发比例不好设置，设置大了，那么剩余的空间就少了很多，设置小了，那old区还没放置多少东西，就要进行回收了；

2、CMS进行的时候，是并行的，也就意味着如果过于频繁的话，会和应用的强占CPU；

3、CMS会有内存 碎片问题；

4、YGC的速率变慢（由于CMS GC的实现原理，导致对象从新生代晋升到旧生代时，寻找哪里能放下的这个步骤比ParallelOld GC是慢一些的，因此就导致了YGC速度会有一定程度的下降。）；

 

JVM的悲观策略是啥？

所谓的悲观策略（ http://tmalltesting.com/archives/663 我们性能测试团队一个同学分析的案例），就是JVM不按照JVM指定的参数来进行CMS GC，而是根据内存情况以及之前回收的方式动态调整，自行进行GC。旧生代剩余的空间（available）大于新生代中使用的空间（max_promotion_in_bytes），或者大于之前平均晋升的old的大小（av_promo），返回false。cms gc是每隔一个周期（默认2s）就会做一次这个检查，如果为false，则不执行YGC，而触发cms gc。

 

我们经常使用的是啥GC方式？

针对目前线上机器的情况（8G的物流内存），heap区一般设置在4g或者5g左右，一般是使用CMS GC，这时候：

young区使用ParNew（并行GC），Old+Perm(需要单独设置)使用CMS，整个堆（young+old+perm）使用MSC（（Mark Sweep Compact）是CMS GC算法的Full GC算法,单线程回收整个堆，回收过程有严格的步骤。压缩，所以回收完理论上任何Generation都不会有内存碎片）压缩回收的方式。

 

读懂GC日志？

基本上都是这种格式：回收前区域占用的大小->回收后区域占用的大小（区域设置的大小），占用的时间

 

1、promotion failed的一段日志

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2013 - 11 -27T03: 00 : 53.638 + 0800 :  35333.562 : [GC  35333.562 : [ParNew (promotion failed): 1877376K->1877376K(1877376K),  15.7989680  secs] 35349.361 : [CMS: 2144171K->2129287K(2146304K),  10.4200280  sec s] 3514052K->2129287K(4023680K), [CMS Perm : 119979K->118652K(190132K)],  26.2193500  secs] [Times: user= 30.35  sys= 5.19 , real= 26.22  secs]

解释如下：

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1877376K->1877376K(1877376K),  15.7989680  secs   young区 2144171K->2129287K(2146304K),  10.4200280  sec     old区情况 3514052K->2129287K(4023680K)                     heap区情况 119979K->118652K(190132K)],  26.2193500  secs      perm区情况  [Times: user= 30.35  sys= 5.19 , real= 26.22  secs]    整个过程的时间消耗

 

2、一段正常的CMS的日志

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2013 - 11 -27T04: 00 : 12.819 + 0800 :  38892.743 : [GC [ 1  CMS-initial-mark: 1547313K(2146304K)] 1734957K(4023680K),  0.1390860  secs] [Times: user= 0.14  sys= 0.00 , real= 0.14  secs] 2013 - 11 -27T04: 00 : 12.958 + 0800 :  38892.883 : [CMS-concurrent-mark-start] 2013 - 11 -27T04: 00 : 19.231 + 0800 :  38899.155 : [CMS-concurrent-mark:  6.255 / 6.272  secs] [Times: user= 8.49  sys= 1.57 , real= 6.27  secs] 2013 - 11 -27T04: 00 : 19.231 + 0800 :  38899.155 : [CMS-concurrent-preclean-start] 2013 - 11 -27T04: 00 : 19.250 + 0800 :  38899.175 : [CMS-concurrent-preclean:  0.018 / 0.019  secs] [Times: user= 0.02  sys= 0.00 , real= 0.02  secs] 2013 - 11 -27T04: 00 : 19.250 + 0800 :  38899.175 : [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]   CMS: abort preclean due to time  2013 - 11 -27T04: 00 : 25.252 + 0800 :  38905.176 : [CMS-concurrent-abortable-preclean:  5.993 / 6.002  secs] [Times: user= 6.97  sys= 2.16 , real= 6.00  secs] 2013 - 11 -27T04: 00 : 25.253 + 0800 :  38905.177 : [GC[YG occupancy:  573705  K ( 1877376  K)] 38905.177 : [Rescan (parallel) ,  0.3685690  secs] 38905.546 : [weak refs processing,  0.0024100  secs] 38905.548 : [cla ss unloading,  0.0177600  secs] 38905.566 : [scrub symbol & string tables,  0.0154090  secs] [ 1  CMS-remark: 1547313K(2146304K)] 2121018K(4023680K),  0.4229380  secs] [Times: user= 1.41  sys= 0.01 , real= 0.43  secs] 2013 - 11 -27T04: 00 : 25.676 + 0800 :  38905.601 : [CMS-concurrent-sweep-start] 2013 - 11 -27T04: 00 : 26.436 + 0800 :  38906.360 : [CMS-concurrent-sweep:  0.759 / 0.760  secs] [Times: user= 1.06  sys= 0.48 , real= 0.76  secs] 2013 - 11 -27T04: 00 : 26.436 + 0800 :  38906.360 : [CMS-concurrent-reset-start] 2013 - 11 -27T04: 00 : 26.441 + 0800 :  38906.365 : [CMS-concurrent-reset:  0.005 / 0.005  secs] [Times: user= 0.00  sys= 0.00 , real= 0.00  secs]

这个是一个正常的CMS的日志，共分为七个步骤，重点关注initial-mark和remark这两个阶段，因为这两个是停机的。

A、[GC [1 CMS-initial-mark: 1547313K(2146304K)] 1734957K(4023680K), 0.1390860 secs] [Times: user=0.14 sys=0.00, real=0.14 secs]

各个数据依次表示标记前后old区的所有对象占内存大小和old的capacity，整个JavaHeap（不包括perm）所有对象占内存总的大小和JavaHeap的capacity。

B、2013-11-27T04:00:25.253+0800: 38905.177: [GC[YG occupancy: 573705 K (1877376 K)]38905.177: [Rescan (parallel) , 0.3685690 secs]38905.546: [weak refs processing, 0.0024100 secs]38905.548: [class unloading, 0.0177600 secs]38905.566: [scrub symbol & string tables, 0.0154090 secs] [1 CMS-remark: 1547313K(2146304K)] 2121018K(4023680K), 0.4229380 secs] [Times: user=1.41 sys=0.01, real=0.43 secs]

Rescan (parallel)表示的是多线程处理young区和多线程扫描old+perm的卡表的总时间， parallel 表示多GC线程并行。

weak refs processing 处理old区的弱引用的总时间，用于回收native memory。

class unloading 回收SystemDictionary消耗的总时间。

 

3、一段正常的Young GC的日志

1 2	2013 - 11 -27T04: 00 : 07.345 + 0800 :  38887.270 : [GC  38887.270 : [ParNew: 1791076K->170624K(1877376K),  0.2324440  secs] 2988366K->1413629K(4023680K),  0.2326470  secs] [Times: user= 0.80  sys= 0.00 , real= 0 . 23  secs]

ParNew这个表明是并行的回收方式，具体的分别是young区、整个heap区的情况；

 

4、一段通过system.gc产生的FullGC日志

1	2013 - 07 -21T17: 44 : 01.554 + 0800 :  50.568 : [Full GC (System)  50.568 : [CMS: 943772K->220K(2596864K),  2.3424070  secs] 1477000K->220K(4061184K), [CMS Perm : 3361K->3361K(98304K)],  2.3425410  secs] [Times: user= 2.33  sys= 0.01 , real= 2.34  secs]

解释如下：

Full GC (System)意味着这是个system.gc调用产生的MSC。

“943772K->220K(2596864K), 2.3424070 secs”表示：这次MSC前后old区内总对象大小，old的capacity及这次MSC耗时。

“1477000K->220K(4061184K)”表示：这次MSC前后JavaHeap内总对象大小，JavaHeap的capacity。

“3361K->3361K(98304K)], 2.3425410 secs”表示：这次MSC前后Perm区内总对象大小，Perm区的capacity。

 

5、一个特殊的GC日志，根据动态计算直接进行的FullGC（MSC的方式）

1	2013 - 03 -13T13: 48 : 06.349 + 0800 :  7.092 : [GC  7.092 : [ParNew: 471872K->471872K(471872K),  0.0000420  secs] 7.092 : [CMS: 366666K->524287K(524288K),  27.0023450  secs] 838538K->829914K(996160K), [CMS Perm : 3196K->3195K(131072K)],  27.0025170  secs]

ParNew的时间特别短，jvm在minor gc前会首先确认old是不是足够大，如果不够大，这次young gc直接返回，进行MSC。

 

参考文章：

http://kenwublog.com/docs/java6-jvm-options-chinese-edition.htm   JVM参数大全

http://tmalltesting.com/archives/663 悲观策略

http://hellojava.info/?p=142 CMS GC不建议3G的原因

毕玄的《分布式java基础》

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