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GC耗时高,原因竟是服务流量小?

原创:扣钉日记(微信公众号ID:codelogs),欢迎分享,转载请保留出处。

简介

最近,我们系统配置了GC耗时的监控,但配置上之后,系统会偶尔出现GC耗时大于1s的报警,排查花了一些力气,故在这里分享下。

发现问题

我们系统分多个环境部署,出现GC长耗时的是俄罗斯环境,其它环境没有这个问题,这里比较奇怪的是,俄罗斯环境是流量最低的一个环境,而且大多数GC长耗时发生在深夜。

发现报警后,我立马查看了GC日志,如下: 
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日志中出现了to-space exhausted,经过一番了解,出现这个是由于g1在做gc时,都是先复制存活对象,再回收原region,当没有空闲空间复制存活对象时,就会出现to-space exhausted,而这种GC场景代价是非常大的。

同时,在这个gc发生之前,还发现了一些如下的日志。
image_2023-01-02_20230102214444
这里可以看到,系统在分配约30M+的大对象,难道是有代码频繁分配大对象导致的gc问题。

定位大对象产生位置

jdk在分配大对象时,会调用G1CollectedHeap::humongous_obj_allocate方法,而使用async-profiler可以很容易知道哪里调用了这个方法,如下:

# 开启收集
./profiler.sh start --all-user -e G1CollectedHeap::humongous_obj_allocate -f ./humongous.jfr jps

# 停止收集
./profiler.sh stop -f ./humongous.jfr jps

将humongous.jfr文件用jmc打开,如下:
image_2023-01-02_20230102215823
根据调用栈我发现,这是我们的一个定时任务,它会定时调用一个接口获取配置信息并缓存它,而这个接口返回的数据量达14M之多。

难道是这个接口导致的gc问题?但这个定时任务调用也不频繁呀,5分钟才调用一次,不至于让gc忙不过来吧!
另一个疑问是,这个定时任务在其它环境也会运行,而且其它环境的业务流量大得多,为什么其它环境没有问题?

至此,我也不确定是这个定时任务导致的问题,还是系统自身特点导致偶尔的高gc耗时。

由于我们有固定的上线日,于是我打算先优化产生大对象的代码,然后在上线前的期间试着优化一下jvm gc参数。

优化产生大对象的代码

我们使用的是httpclient调用接口,调用接口时,代码会先将接口返回数据读取成String,然后再使用jackson把String转成map对象,简化如下:

rsp = httpClient.execute(request);
String result = IOUtils.toString(rsp.getEntity().getContent());
Map resultMap = JSONUtil.getMapper().readValue(result, Map.class);

要优化它也很简单,使用jackson的readValue有一个传入InputStream的重载方法,用它来读取json数据,而不是将其加载成一个大的String对象再读,如下:

rsp = httpClient.execute(request);
InputStream is = rsp.getEntity().getContent();
Map resultMap = JSONUtil.getMapper().readValue(is, Map.class);

注:这里面map从逻辑上来说是一个大对象,但对jvm来说,它只是很多个小对象然后用指针连接起来而已,大对象一般由大数组造成,大String之所以是大对象,是因为它里面有一个很大的char[]数组。

优化GC参数

优化完代码后,我开始研究优化jvm gc参数了,我们使用的是jdk8,垃圾收集器是g1,为了理解g1的调优参数,又简单学习了下g1的关键概念。

  1. g1是分region收集的,但region也分年轻代与老年代。
  2. g1的gc分young gcmixed gc,young gc用于收集年轻代region,mixed gc会收集年轻代与老年代region。
  3. mixed gc回收之前,需要先经历一个并发周期(Concurrent Cycles),用来标记各region的对象存活情况,让mixed gc可以判断出需要回收哪些region。
  4. 并发周期分为如下4个子阶段:
    a. 初始标记(initial marking)
    b. 并发标记(concurrent marking)
    c. 重新标记(remarking)
    d. 清理(clean up)
    需要注意的是,初始标记(initial marking)这一步是借助young gc完成的。

在g1中,young gc几乎没有什么可调参数,而mixed gc有一些,常见如下:

参数 作用
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 开始mixed gc并发周期的堆占用阈值,当大于此比例,启动并发周期,默认45%
-XX:ConcGCThreads 在并发标记时,使用多少个并发线程。
-XX:G1HeapRegionSize 每个region大小,当分配对象尺寸大于region一半时,才认为这是一个大对象。
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent region存活比例,默认85%,当并发标记后发现region中存活对象比例小于这个值,mixed gc才会回收这个region,毕竟一个region如果都是存活的对象,那还有什么回收的必要呢。
-XX:G1HeapWastePercent 允许浪费的堆比例,默认5%,当可回收的内存比例大于此值时,mixed gc才会去执行回收,毕竟没什么可回收的对象时,还有什么回收的必要呢。
-XX:G1MixedGCCountTarget mixed gc执行的次数,一旦并发标记周期确认了回收哪些region后,mixed gc就进行回收,但mixed gc会分少量多次来回收这些region,默认8次。
-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent 每次mixed gc回收old region的比例,默认10%,如果G1MixedGCCountTarget是8的话,mixed gc整体能回收80%。
-XX:G1ReservePercent 堆保留空间比例,默认10%,这部分空间g1会保留下来,用来在gc时复制存活对象。

出现to-space exhausted会不会是mixed gc太慢了呢?于是我调整了如下参数:

  1. 让并发标记周期启动更早,运行得更快,将-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent从默认值45%调整到35%,-XX:ConcGCThreads从1调整为3。
  2. -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent-XX:G1HeapWastePercent确定回收哪些region,有多少比例垃圾才执行回收,我觉得它们的值本来就蛮激进,就没有调整。
  3. -XX:G1MixedGCCountTarget-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent控制mixed gc执行多少次,每次回收多少region,我将-XX:G1OldCSetRegionThresholdPercent从10%调整到了15%,让它一次多回收些old region。
  4. 增加保留空间,避免复制存活对象失败,将-XX:G1ReservePercent从10%调整到20%。
  5. 尽量避免产生大对象,将-XX:G1HeapRegionSize增加到16m。

于是我按照上面调整了jvm参数,可是第二天我发现还是有GC长耗时,次数也没有减少,看来问题根因和我调整的参数没有关系。

问题根因

就这样,到了上线日,于是我上线了前面优化大对象的代码,一天后,我发现偶尔的GC长耗时竟然没有了!

问题就这样解决了!!!

然而我心里还是有一个大大的问号,其它环境同样有这个定时任务,一样的运行频率,jvm配置也全是一样的,为啥其它环境没有问题呢?其它环境业务流量还大一些!

为此,我搜索了大量关于g1大对象的文章,我发现大对象的分配与回收过程有点特殊,如下:

  1. 大于region size一半的对象是大对象,会直接分配在old region,且gc时大对象不会被复制或移动,而是直接回收。
  2. 大对象回收发生在2个地方,一个是并发周期的clean up子阶段,另一个是young gc(这个特性在jdk8u60才加入)。

我忽然想到,莫非是俄罗斯环境流量太低,触发不了young gc,且并发周期又因为什么原因没执行,但定时任务又慢慢生成大对象将old region占满,导致了to-space exhausted?

于是,我打算写段代码试验一下,慢慢的只生成大对象,看g1会不会回收,如下:
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这个一个命令行交互程序,使用如下jvm参数启动它:

# 1600m的堆,16m的region size
# rlwrap作用是使得这个命令行程序更好用
rlwrap java -server -Xms1600m -Xmx1600m -Xss1m -XX:MetaspaceSize=512m -XX:MaxMetaspaceSize=1g -Xloggc:/home/work/logs/applogs/gc-%t.log -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/home/work/logs/applogs/ -XX:+PrintClassHistogram -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintHeapAtGC -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime -XX:+PrintAdaptiveSizePolicy -XX:+UseG1GC -XX:G1LogLevel=finest -XX:G1HeapRegionSize=16m -XX:MaxGCPauseMillis=200 -jar command-cli.jar

使用了1600M的堆,16M的region size,所以总共有100个region,jdk版本是1.8.0_222
通过在这个交互程序中输入gc 9437184 20 0,可以生成20个9M的大对象。

当我输入3次gc 9437184 20 0后,如下:
我从gc日志中发现了一次由initial marking触发的young gc,说明g1启动了并发周期,之所以发生young gc,是因为initial marking是借助ygc执行的。
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紧接着,我发现了并发标记、重新标记与清理阶段的日志。
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然后我在jstat中发现老年代使用率降低了,因为young gc会回收大对象,所以老年代使用率降低也是正常的。
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当我又执行了2次gc 9437184 20 0后,使得堆占用率再次大于45%,我发现gc日志中出现如下内容:
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看字面意思是,由于mixed gc正在执行,没有再次启动并发周期。

可是,我在这种状态下等了好久,也没有看到mixed gc的日志出来,不是说mixed gc正在执行嚒,它一定是有什么问题!

于是,我又执行了好几次gc 9437184 20 0,我在gc日志中发现了to-space exhausted!
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  1. 从上面do not start mixed GCs, reason: candidate old regions not available的日志中看到,mixed gc日志之所以长时间没出来,是因为没有可回收的region导致mixed gc没有执行,因为我们只创建了大对象,但mixed gc不回收大对象分区,所以确实是没有可回收的region的。
  2. Humongous Reclaimed: 98可以发现,这次young gc,回收了98个大对象分区,而我们总共只有100个分区,说明在inital marking之后创建的大对象,确实一直都没有回收。

注:添加-XX:G1LogLevel=finest参数,才能输出Humongous Reclaimed这一项。

但是,大对象分区占了98个,堆占用率肯定超过了45%,为何一直没有再次启动并发周期呢?

感觉这可能是jdk的bug,于是我分别下了最新的jdk8u与jdk11u验证,发现问题在最新的jdk8u中依然存在,而jdk11u中则不存在,这应该就是JDK的Bug!
于是我通过二分搜索法多次编译了不同版本的JDK,最终确定问题fix在jdk9_b93与jdk9_b94之间。
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并在jdk的bug库中,搜索到了相同描述的bug反馈,如下:
image_2023-01-07_20230107203043
https://bugs.openjdk.org/browse/JDK-8140689

Bug改动代码如下:
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大致瞄了下代码,可能理解得不完全正确,改动逻辑如下:

  1. G1再次启动并发周期之前,至少需要执行过一次mixed gcyoung gc,类似于Concurrent Cycles -> mixed gc|young gc -> Concurrent Cycles -> mixed gc|young gc
  2. 我们的场景是,在并发周期结束之后,由于没有需要回收的分区,导致mixed gc实际没有执行,可是我们只分配了大对象,且大对象又只分配在old region,所以young gc也不可能被触发,而由于上面的条件,Concurrent Cycles也不会被触发,因此最终大对象将堆占满触发了to-space exhausted。
  3. 修复逻辑是,当并发周期结束后,没有需要回收的分区时,should_continue_with_reclaim=false,进而使得允许不执行纯young gc而直接启动并发周期,类似于Concurrent Cycles -> Concurrent Cycles

所以在使用JDK8时,像那种系统流量很小,新生代较大,又有定时任务不断产生大对象的场景,堆几乎必然会被慢慢占满,要解决这个问题,可参考如下处理:

  1. 优化代码,避免分配大对象。
  2. 代码无法优化时,可考虑升级jdk11。
  3. 无法升级jdk11时,可考虑减小-XX:G1MaxNewSizePercent让新生代小一点,让young gc能执行得更频繁些,同时老年代更大,能缓冲更多大对象分配。

考虑到我们负责的其它系统中,时不时就有一波大响应体的请求,也没法快速修改代码,于是我统一将-XX:G1MaxNewSizePercent减小到30%,经过观察,修改后GC频率有所增加,但暂停时间有所下降,这是符合期望的。

总结

当我在jdk的bug库中搜索问题时,发现不少和G1大对象相关的优化,早期JDK(如JDK8)的G1实现可能在大对象回收上不太完善,所以写代码时要注意尽量少创建大对象,以回避这些隐性问题。

注:这之后又遇到了Update RS (ms)耗时高,竟也和大对象有关,添加-XX:-ReduceInitialCardMarks后解决,看来大对象是万恶之源啊😂


来源:https://www.cnblogs.com/codelogs/p/17033706.html
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