Java GC专家系列2：Java 垃圾回收的监控

这是”成为GC专家系列”文章的第二篇。在第一篇理解Java垃圾回收中我们学习了几种不同的GC算法的处理过程，GC的工作方式，新生代与老年代的区别。到目前为止，你应该已经了解了JDK 7中的5种GC类型，以及每种GC对性能的影响。

在本篇中，我将介绍JVM在真实环境中如何运行GC的。

什么是GC监控

GC监控 指的是在运行时跟踪JVM运行GC的过程。例如，通过GC监控，我们能找出：

何时新生代的对象会被移动到老年代，有多少对象被移到了老年代。
何时stop-the-world发生以及持续时间。

通过GC监控，能发现JVM是否在有效的运行GC以及是否需要额外的GC调优。基于这些信息，我们可以通过优化应用或者改变GC运行方式(GC调优)，从而提高应用性能。

如何做GC监控

GC监控的方式很多，区别在于GC操作信息的展示会有所不同。GC是由JVM触发，因为GC监控工具展示的信息都是由JVM提供，所以不管使用哪种方式做GC监控，最终获取的信息都是一致的。因此，没有必要深入学习每种GC监控工具，只需要花些时间学习每种工具的使用方法，能够在不同的场合选择合适的工具即可。

因为JVM规范没有要求暴露GC信息的标准方法，所以下面列出的工具或JVM选项并不能适用于所有不同的JVM实现。在下面的介绍中都是基于Hotspot JVM(Oracle JVM)进行。因为NHN使用的是Oracle(Sun) JVM，所以在使用以下工具或JVM选项时并不会太困难。

首先，GC监控工具根据访问接口和方式不同分为CUI和GUI。经典的CUI 工具可以使用一个单独的CUI应用jstat，也可以在运行JVM时通过提供”-verbosegc“选项来实现。

GUI GC监控工具通过单独的GUI应用来实现，后面会介绍三个常用的GUI GC工具：jconsole, jvisualvm和Visual GC。

下面开始学习每一种GC监控方法：

jstat

jstat是Hotspot JVM内置的监控工具。Hotspot JVM还内置了其他监控工具如jps和jstatd。有时候需要这三种工具一起来监控Java应用的运行。

jstat 不只提供GC操作的相关信息，也还提供类加载和即时编译器相关的操作信息。尽管如此，本文我们只会涉及jstat提供的GC操作相关的功能。

jstat 位于$JDK_HOME/bin目录，如果java或javac命令能够正常运行，jstat命令也应该能够运行。

你可以在命令行中尝试一下：

$> jstat –gc  $<vmid$> 1000

S0C       S1C       S0U    S1U      EC         EU          OC         OU         PC         PU         YGC     YGCT    FGC      FGCT     GCT
3008.0   3072.0    0.0     1511.1   343360.0   46383.0     699072.0   283690.2   75392.0    41064.3    2540    18.454    4      1.133    19.588
3008.0   3072.0    0.0     1511.1   343360.0   47530.9     699072.0   283690.2   75392.0    41064.3    2540    18.454    4      1.133    19.588
3008.0   3072.0    0.0     1511.1   343360.0   47793.0     699072.0   283690.2   75392.0    41064.3    2540    18.454    4      1.133    19.588

$>

如上所示，真实的内存各部分数据情况按以下各列顺序列出：

SOC        S1C        S0U        S1U        EC        EU        OU        PC

vmid(虚拟机id: Virtual Machine ID)，见名示意，表示VM的ID。运行在本地或远程的虚拟机都可以通过vmid指定。运行在本地虚拟机上的Java应用的vmid又称为lvmid(Local vmid)，通常与PID相同。虽然可以通过ps命令或Windows的任务管理器查看PID的值从而得到lvmid，但更推荐使用jps，因为PID和lvmid之间并不总是一一对应。jps表示Java PS。正如ps命令可以看到PIDs和进程名，通过jps可以看到vmids和main方法信息。

通过jps找到你要监控的Java应用的vmid，然后作为jstat的参数即可。如果多个WAS实例运行在同一设备上时，如果只使用jps命令只能找到引导程序的信息。这时候就要ps -ef | grep java命令和jps命令一起使用。

GC性能数据需要持续观察，因此在运行jstat时需要定时输出GC的监控信息。

举例来说：运行jstat -gc <vmid> 1000(or 1s)将会每隔1s在控制台上输出一次GC数据。jstat -gc <vmid> 1000 10将会每隔1s输出一次GC数据，总共输出10次。

与GC相关的选项除了-gc，还有其他一些，如下表所示：

选项名称	描述
gc	输出堆空间上各分区当前的大小及使用量(Ede, Survivor, Old等)，GC执行的总次数以及累积消耗的执行时长。
gccapacity	输出堆空间上各分区的最小和最大容量，当前大小，每个区上的GC执行次数(不输出当前使用量和累积的GC耗时)。
gccause	除了输出 -gcutil提供的信息外，还会输出最后一次GC和当前GC的原因。
gcnew	新生代上的GC性能数据。
gcnewcapacity	新生代容量的统计信息。
gcold	老年代的GC性能数据。
gcoldcapacity	老年代容量的统计信息。
gcpermcapacity	持久代(方法区)上的统计信息。
gcutil	以%的格式输出每个分区的使用量。同时也会输出GC执行的总次数及累积耗时。

如果只关心GC频率，通常使用-gcutil(或者 -gccause), -gc, -gccapacity即可。

-gcutil 用于检测各区上的使用量，GC执行次数以及累积耗时，
-gccapacity 和其他的几个选项可用于输出实际已分配的内存大小。

使用-gc选项的输出如下：

S0C         S1C    …    GCT
1248.0     896.0    …    1.246
1248.0      896.0    …    1.246
…         …        …    …

给jstat指定不同的选项会列出不同的列，如下列所示。表格右侧列出了会输出此信息的jstat选项。

数据列	描述	支持的jstat 选项
S0C	Survivor0的当前容量	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
S1C	S1的当前容量	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
S0U	S0的使用量	-gc -gcnew
S1U	S1的使用量	-gc -gcnew
EC	Eden区的当前容量	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
EU	Eden区的使用量	-gc -gcnew
OC	old区的当前容量	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
OU	old区的使用量	-gc -gcnew
PC	方法区的当前容量	-gc -gccapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity
PU	方法区的使用量	-gc -gcold
YGC	Young GC次数	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
YGCT	Young GC累积耗时	-gc -gcnew -gcutil -gccause
FGC	Full GC次数	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
FGCT	Full GC累积耗时	-gc -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
GCT	GC总的累积耗时	-gc -gcold -gcoldcapacity -gccapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
NGCMN	新生代最小容量	-gccapacity -gcnewcapacity
NGCMX	新生代最大容量	-gccapacity -gcnewcapacity
NGC	新生代当前容量	-gccapacity -gcnewcapacity
OGCMN	老年代最小容量	-gccapacity -gcoldcapacity
OGCMX	老年代最大容量	-gccapacity -gcoldcapacity
OGC	老年代当前容量	-gccapacity -gcoldcapacity
PGCMN	方法区最小容量	-gccapacity -gcpermcapacity
PGCMX	方法区最大容量	-gccapacity -gcpermcapacity
PGC	方法区当前容量	-gccapacity -gcpermcapacity
PC	方法区的当前容量	-gccapacity -gcpermcapacity
PU	方法区使用量	-gccapacity -gcold
LGCC	上一次GC发生的原因	-gccause
GCC	当前GC发生的原因	-gccause
TT	存活阀值，如果对象在新生代移动次数超过此阀值，则会被移到老年代	-gcnew
MTT	最大存活阀值，如果对象在新生代移动次数超过此阀值，则会被移到老年代	-gcnew
DSS	survivor区的理想容量	-gcnew

表格中容量数量单位为：KB

jstat的优点在于不管是本地还是远程Java应用，你都可以通过jstat命令查看GC操作相关的数据，并通过控制台输出这些信息。在使用-gcutil选项时，会输出如下字段的信息。在做GC调优时，尤其要关注YGC, YGCT, FGC, FGCT和GCT的数据变化。

S0      S1       E        O        P        YGC    YGCT     FGC    FGCT     GCT
0.00    66.44    54.12    10.58    86.63    217    0.928     2     0.067    0.995
0.00    66.44    54.12    10.58    86.63    217    0.928     2     0.067    0.995
0.00    66.44    54.12    10.58    86.63    217    0.928     2     0.067    0.995

这些信息非常重要，它统计了GC运行时的耗时情况，能反映出GC的性能指标。

在上例中，YGC是217次, YGCT为0.928，平均下来每次young GC耗时4ms(0.004 s)。同样可算出full GC的平均耗时为33ms。

然而平均值对发现实现的GC问题并没有太大的帮助，因为每次GC耗时通常会有巨大的偏差(也就是说，如果full GC的平均值为0.067s，可能意味着其中一次GC耗时1ms，而另外一次持续134ms)。为了能观察每次GC的独立耗时而非平均值，更好的方式是使用-verbosegc。

-verbosegc

-verbosegc 是运行Java应用时的一个JVM选项。jstat可以监控任何JVM应用而无需指定启动参数，-verbosegc去要在开启应用时就指定好，所以看起来-verbosegc并不是一个必要的选项(因为可以使用jstat完成相同工作)。然而当GC发生时-verbosegc的输出信息更容易理解，这对于监控烦杂的GC信息却大于益处。

	jstat	-verbosegc
监控目标	可输出日志到终端上的Java应用或者能通过jstatd连接到网络的远程Java应用	在启动JVM时指定了-verbosegc 参数的Java应用
输出信息	堆状态(使用量、最大容量、GC次数及累积耗时等)	每次GC前后新生代和老年代的容量变化及GC耗时
输出时机	任何指定的时间	任何GC发生时
优势	方便连续观察堆大小的变化	观察单次GC对系统的影响

在使用-verbosegc时还可同时指定以下附加选项：

-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps
-XX:+PrintHeapAtGC
-XX:+PrintGCDateStamps(JDK6U4引入的选项)

如果只是指定了-verbosegc选项，则默认会同时指定-XX:+PrintGCDetails。另外，-verbosegc的附加选项都可以组合使用。

使用-verbosegc后，当有minor GC发生时，输出的数据格式如下：

[GC [<collector>: <starting occupancy1> -> <ending occupancy1>, <pause time1> secs] <starting occupancy3> -> <ending occupancy3>, <pause time3> secs]

字段	含义
Collector	使用的收集器
starting occupancy1	GC发生前的新生代大小
ending occupancy1	GC后新生代的大小
pause time1	执行minor GC时Java应用停顿的时长
starting occupancy3	GC发生前堆空间总大小
ending occupancy3	GC发生后堆空间总大小
pause time3	执行总体GC(包括Full GC)时Java应用停顿时长

下面是一个Full GC输出的例子：

[Full GC [Tenured: 3485K->4095K(4096K), 0.1745373 secs] 61244K->7418K(63104K), [Perm : 10756K->10756K(12288K)], 0.1762129 secs] [Times: user=0.19 sys=0.00, real=0.19 secs]

如果使用了[CMS回收算法]()，CMS相关信息也会紧接着提供出来。

因为-verbosegc选项可以把每次GC发生时的信息都以log方式输出，所以很容易观察GC操作关后heap使用率的变化情况。

(Java) VisualVM + Visual GC

Java Virsual VM是Oracle JDK提供的一个GUI式的图表/监控工具。

图1：VirsualVM 界面

与内置在JDK中的版本不同，你可以在网站上单独下载Virsual VM。方便起见，JDK内置的版本称为Java VirsualVM(jvisualvm)，从网站上单独下载的称为Virsual VM(visualvm)。二者之间的特性并不完全一致，在一些方面(例如安装插件等)会有细微的差别。就我个人而言，更偏向于使用单独下载的Virsual VM。

启动Visual VM后，如果你左侧面板上选择了希望监控的应用，就会看到”Monitoring”一栏。从Monitoring栏中可以获得关于GC和内存堆的基本信息。

尽管能通过Visual VM的基本特性得到GC的基本状态，但并不能像使用jstat和-verbosegc一样获得更详细的信息。

如果想得到像jstat一样的详细信息，则需要安装相应的Virsual VM插件。可以在Tools菜单里获取Virsual GC插件。

图2：Virsual GC安装界面

通过Virsual GC，可以以更直观的方式获得jstatd提供的信息。

图3：Virsual GC运行界面

HPJMeter

HPJMeter是一个分析-verbosegc输出结果的便捷工具。如果把Visual GC看作是jstat的GUI版本，那么HPJMeter则是-verbosegc的GUI版本。话说回来，GC分析只是HPJMeter提供的众多特性之一。HPJMeter是HP公司开发的一款性能监控工具，可以使用在HP-UX，Linux和MS Windows上。

起初，只是一款叫做HPTune的工具提供GUI的方式分析-verbosegc。自从HPJMeter 3.0开始便集成了HPTune，因此无需再单独下载HPTune。

在应用运行过程中，-verbosegc的输出结果可以重定向到一个单独的文件中。

可以通过HPJMeter打开该文件，然后使用直观的GUI界面便捷的分析GC数据。

图4：HPJMeter

下章介绍

本章作为GC调优的铺垫，着重于介绍了如何进行GC信息监控。一般情况我比较建议先使用jstat观察GC操作，当发现有比较耗时的GC后，再通过-verbosegc来分析GC数据。因此GC调优的一般过程就是分析和对比使用不同GC选项后-verbosegc输出结果的变化。下章将会通过真实案例来介绍进行GC调优的最佳选项。

作者：Sangmin Lee, 性能实验室高级工程师，NHN公司