JVM - 垃圾回收调优 (GC Tuning)

JVM 垃圾回收调优 (GC Tuning)

GC调优是高级Java工程师必须具备的核心技能之一。它不是一个“一招鲜”的技术，而是一个需要明确目标、分析日志、不断实验的系统性工程。

1. GC 调优的核心指标（目标）

在开始调优之前，必须明确你的业务场景和调优目标。GC调优主要关注三大核心指标，它们之间通常存在“跷跷板效应”，难以同时达到最优。

1. 吞吐量 (Throughput)

   • 定义：CPU用于执行用户代码的时间占总运行时间的比例。即 用户代码执行时间 / (用户代码执行时间 + GC时间)。
   • 适用场景：追求在长时间内完成尽可能多的工作，对单次停顿不敏感的后台计算密集型任务（如大数据批处理、科学计算、报表生成）。

2. 停顿时间 (Pause Time)

   • 定义：垃圾收集器工作时，暂停所有用户线程（"Stop-The-World", STW）的时长。
   • 适用场景：对响应时间非常敏感的与用户交互的在线服务（如Web网站、API服务、交易系统）。低停顿时间意味着更流畅的用户体验。

3. 内存占用 (Footprint)

   • 定义：Java堆所占用的内存大小。
   • 适用场景：对内存资源有限制的场景（如嵌入式设备、高密度部署的微服务）。

总结：调优前必须做出取舍。后台任务优先保证吞吐量；在线服务优先保证低停顿时间。

2. 以“降低停顿时间”为目标的调优思路

这是在线服务最常见的调优目标。

第一步：选择合适的收集器

• 在现代Java版本（JDK 8u40+）和有足够内存（>6G）的服务器上，G1收集器通常是首选。
  • 开启G1：-XX:+UseG1GC (含义: 显式开启G1垃圾收集器)

第二步：设定明确的停顿时间目标

• 这是G1调优的核心。通过设置一个期望的最大停顿时间，让G1去自动调整内部参数来达成这个目标。
• 常用参数：-XX:MaxGCPauseMillis=200 (含义: 设置G1收集器单次STW停顿时间的最大期望值为200毫秒。这是一个“软目标”，G1会尽力达成，但不100%保证。)
  • 注意：此值不宜设置得过小（如<50ms），否则可能导致GC过于频繁，吞吐量急剧下降。

第三步：开启并分析GC日志

GC调优离不开GC日志，它是调优的“眼睛”。

• 开启GC日志 (JDK 9+)：-Xlog:gc*:file=gc.log:time,level,tags:filecount=5,filesize=10m
  • 参数解释:
    • gc*: 记录所有GC相关的日志信息。
    • file=gc.log: 将日志输出到当前目录下的 gc.log 文件。
    • time,level,tags: 定义日志内容的格式，包含时间戳、日志级别和标签。
    • filecount=5,filesize=10m: 启用日志滚动。最多保留5个日志文件，每个文件最大为10MB。
• 通过分析日志，我们可以看到GC的频率、耗时、原因等，然后进行针对性调整。

第四步：进行针对性调整

• 调整新生代大小：

  • 很多STW停顿由新生代的Minor GC引起。如果新生代太小，会导致频繁的Minor GC。
  • 常用参数：
    • -Xmn: (含义: 直接设置新生代的绝对大小，优先级高于 -XX:NewRatio)
    • -XX:NewRatio: (含义: 设置老年代与新生代的内存大小比例)
    • -XX:SurvivorRatio: (含义: 设置新生代内部Eden区与单个Survivor区的大小比例)
  • 思路：观察Minor GC频率和耗时，尝试增大新生代（如 -Xmn4g），看是否能有效降低GC频率，同时单次停顿时间仍在可接受范围内。

• 调整对象晋升阈值：

  • 常用参数：-XX:MaxTenuringThreshold=15 (含义: 对象在新生代Survivor区最多经历15次Minor GC后晋升到老年代)
  • 思路：如果发现大量生命周期不长的对象过早进入老年代，导致频繁的Full GC/Mixed GC，可以尝试调高此阈值，让对象在新生代多停留一段时间。

• 调整G1的老年代GC触发时机：

  • 常用参数：-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 (含义: 当老年代已用堆内存的百分比达到45%时，触发G1并发标记周期)
  • 思路：当老年代使用率达到此阈值时，G1会启动并发标记周期。如果GC日志显示堆空间耗尽前未能完成老年代的回收（导致Full GC），可以尝试降低此值，让G1更早地开始回收老年代。

总结调优思路：

1. 选择G1收集器。
2. 设置一个合理的停顿时间目标 (MaxGCPauseMillis)。
3. 打开GC日志进行监控。
4. 分析日志，调整新生代大小 (-Xmn) 来平衡Minor GC的频率和单次耗时。
5. 如果老年代GC有问题，调整触发阈值 (InitiatingHeapOccupancyPercent) 或 对象晋升阈值 (MaxTenuringThreshold)。