JAVA 程序发布引发性能抖动

发布或重启线上服务时抖动问题解决方案

一、问题描述

在发布或重启某线上某服务时（jetty8作为服务器），常常发现有些机器的load会飙到非常高（高达70），并持续较长一段时间（5分钟）后回落（图1），与此同时响应时间曲线（图2）也与load曲线一致。注：load飙高的初始时刻是应用服务端口打开，流量打入时（load具体指什么可参考http://www.cnblogs.com/amsun/p/3155246.html）。

图1 发布时候load飙高

图2 发布时候响应时间飙高

二、问题排查方法

发布时对资源使用情况进行监控。

1）通过top -H -p 查找cpu使用率较高的线程，发现2129和2130这两个线程cpu使用较高。

图3 查找cpu使用率较高的线程

2）通过jstack打印栈信息，并将线程号2129和2130转换成16进制（printf "%x\n" 2129），分别为851和852，发现这两个线程是编译线程（表1）。此外当这两个线程cpu使用率降低后load以及响应时间也马上恢复了正常，时间点非常吻合。

表1 cpu使用率较高的两个线程详细信息

"C2 CompilerThread1" daemon prio=10 tid=0x00007fce48125800 nid=0x852 waiting on condition [0x0000000000000000]

java.lang.Thread.State: RUNNABLE

Locked ownable synchronizers:

- None

"C2 CompilerThread0" daemon prio=10 tid=0x00007fce48123000 nid=0x851 waiting on condition [0x0000000000000000]

java.lang.Thread.State: RUNNABLE

Locked ownable synchronizers:

- None

三、现象解释

C2 CompilerThread线程项目启动初期cpu使用率那么高，它在干什么呢？

Java程序在启动的时候所有代码的执行都处于解释执行模式，只有在运行了一段时间后，根据代码方法执行的次数，或代码里循环的执行次数等达到一定的阈值才会编译成机器码，编译成机器码后执行效率会得到大幅提升，而随着执行时间进一步拉长，JVM的各种更高级的编译优化手段就会逐渐加上，例如if条件的执行状况，逃逸分析等。这里的C2 CompilerThread线程干的就是编译优化的活。

现在貌似可以解释之前的现象了。

在程序刚启动的时候，java还处于解释执行模式，因此服务效率很低，响应时间缓慢，处理得慢了，load自然也就高了。而当流量持续不断导入时，我们代码的很多方法执行次数不断增多，此时C2 CompilerThread线程不断收集优化信息，并且开始将一些热点代码优化编译成本地机器码，因此该线程的cpu使用率增高。而当C2 CompilerThread线程完成初始编译优化过程后，C2 CompilerThread线程的cpu使用率开始下降，与此同时优化后服务的性能大幅提升，服务响应时间也大大缩短，load也下降。

现在的症结在于编译优化过程持续时间较长，引起抖动。如何降低编译优化的持续时间呢？

四、解决思路

1）预热

如果在服务接受线上请求之前提前完成编译优化过程，那么将能避免此种抖动情况。一般的做法是预热，有两种方法：

a）程序主动预热：在启动完成后，程序主动的访问热点的代码，确保主要的热点代码已被编译成机器码后再放入流量，可通过-XX:+PrintCompilation来确认。

b）复制流量预热：通过tcpcopy软件拷贝一份线上nginx的流量进行预热，完成之后再导入线上流量。

2）启动多个线程进行编译优化

如果能加快编译优化速度，那也能降低解释执行阶段导致的抖动时间。因此可以多拿几个线程来做编译，加快达到高峰性能的速度。

可以使用-XX:CICompilerCount参数来设置编译线程数目，这个值默认是2（之前在栈里看到有两个编译线程），我们可以加到4。

3）采用多层编译

编译方式有三种：1）Client模式；2）Server模式；3）Tiered模式。我们服务默认是Server模式。

Server模式是采用c2高级编译的，会比较耗时且要运行一段时间才会触发编译。 Server模式的优点是编译后程序效率较高；

Client模式比较轻量也比较快触发（比Server模式触发快），编译优化后程序效率不如Server模式；

Tiered模式是Client模式和Server模式的折中，一开始会启用Client模式，可以在启动后更快的让部分代码先进入编译优化阶段，之后会启动Server模式，达到程序效率最大优化的目的。

Oracle JDK 7里的HotSpot VM已经开始有比较好的Tiered编译（tiered compilation）支持，可以设置参数-XX:+TieredCompilation来启动Tiered模式，java 8默认就是Tiered模式。

图4是到http://www.javaworld.com/article/2078635/enterprise-middleware/jvm-performance-optimization--part-2--compilers.html截取的不同编译方式的性能比较图，横坐标是时间，纵坐标是性能。可以看出Tired模式开始阶段性能与C1相当，当到达某一时刻后性能与C2相当。

图4 不同编译模式的性能比较

五、结果分析

简单起见采用方案2和方案3来进行优化。

采用方案2和3之后进行了多次发布，发布时除个别机器load达到10之外，基本没有过高现象（在2~4范围内），并且短时间(2分钟)内，load都会降到较合理水平（2左右），较发布时的load来看，比优化前要好很多。

方案2和方案3只是降低了抖动持续的时间以及抖动强度，并不能完全避免抖动。真正能避免抖动的方案应该是方案1，通过预热的方式实现平滑发布或重启。