一步步优化JVM六：优化吞吐量

如果你已经进行完了前面的步骤了，那么你应该知道这是最后一步了。在这一步里面，你需要测试应用的吞吐量和为了更高的吞吐量而优化JVM。

   这一步的输入就是应用的吞吐量性能要求。应用的吞吐量是在应用层面衡量而不是在JVM层面衡量，因此，应用必须要报告出一些吞吐量指标或者应用的某些操作的吞吐量性能指标。观察到的吞吐量指标然后用可以用来和应用需要的性能指标进行比较，如果达到或者超过要求，那么这一步就完成了。如果你需要更好的吞吐量的话，有一些JVM优化可以去做。

 

   这一步的另外一个输入就是，有多少内存可以供应用使用，就想前面说的GC最大化内存原则，越多可用的内存，性能就更好。这条原则不仅仅适用于吞吐量优化，同样适用于延迟优化。

 

   应用的吞吐量需求可能是无法满足的。如果是这种情况，那么就需要重新审视应用吞吐量的需求，应用就需要修改或者改变部署模型。如果上面的一种或者多种情况发生了，那么你需要重新进行前面的优化步骤。

 

   在前面的步骤里面，你可能使用吞吐量垃圾回收器解决了问题（通过-XX:+UseParallelOldGC或者-XX:+UsePrallelGC），或者你调整到并发垃圾回收器（CMS）来解决的问题。如果使用的CMS来解决的问题，下面有一些选项来提升应用的吞吐量，下面详细介绍。如果是使用的吞吐量垃圾回收器，我们将在CMS之后介绍。

   

   CMS吞吐量优化

 

   能够用来提升CMS吞吐量的选项数量有限，下面列出一些可以单独使用或者联合使用的选项：

 

   1、使用一些额外的命令选项，在后面的“额外的性能命令行选项”中详细介绍。

   2、增加young代的空间大小，增加young代的空间大小，可以减少MinorGC的频率，就能够减少在一段时间里面MinorGC占用的时间。

   3、增加old代的空间大小，增加old代的空间，可以减少CMS垃圾回收的频率，减少潜在的碎片，可以减少

stop-the-world垃圾回收。

   4、进一步优化young代堆大小，已经在前面的“优化延迟和响应时间”里面说过了，以及如何优化eden空间任务后和survivor空间大小以减少对象从young代移动到old也在前面已经说过了。需要注意的是，当优化eden和survivor空间大小的时候考虑到一些权衡。

   5、优化CMS周期的启动，也在前面说过了。

   

   任何上面提到的优化，或者组合使用上面的选择，都是减少垃圾回收器占用CPU时间，把CPU留给应用计算。前面两种选择，提供一种可能性来提升吞吐量，但是会有stop-the-world垃圾回收的风险，会增加延迟。

 

   作为指导，不考虑CMS，MinorGC的次数应该减少10%，你可能只能降低1%-3%。通常来讲，如果只能减少3%甚至更少，那么能够提升的吞吐量空间恐怕就有限了。

 

   吞吐量垃圾回收器优化

 

   优化吞吐量垃圾回收器的目标是避免FullGC或者理想情况下，避免在稳定状态下FullGC。这个需要优化对象的岁数，这个可以通过制定survivor空间优化完成。你可以让eden空间更大，可以减少MinorGC的次数。我知道当对象的任期或者岁数达到一定值的时候就会移动到old代，而这个任期就是对象经历MinorGC的次数,MinorGC的次数越少，对象任期增长越慢，就有可能被MinorGC回收掉，而不是进入old代。

 

   使用HotSpot VM的吞吐量垃圾回收器，可以通过-XX:+UseParallelOldGC和-XX:+UsePrallelGC,这样可以提供最好的吞吐量。吞吐量垃圾回收器利用了一种叫做自适应大小的特性，自适应大小是基于对象的分配和存活率来自动改变eden空间和survivor空间大小，目的是优化对象的岁数分布。自适应大小的企图是提供易用性，容易优化JVM，以致于提供可靠的吞吐量。自适应大小在大多数应用下，能够很好的工作，但是关闭自适应大小以及优化eden空间和survivor空间以及old代空间是一个探索提升应用吞吐量的一种办法。关闭自适应大小会改变应用的程序的灵活性，尤其是在修改应用程序，以及随着时间的推移应用的数据发生了变化。

 

   关闭自适应大小可以使用选项：

 

 

   -XX:-UseAdaptiveSizePolicy

 

   注意在“-XX”后面的“-”表明关闭UseAdapivieSizePolicy提供的特性。只有吞吐量垃圾回收器支持这个选项。在其他的垃圾回收器上使用这个选项是无用的。

 

   另外一个可选的命令行选项，可以产生关于survivor空间占用更详细的信息，关于survivor空间是否溢出，对象是否从young代移动到old代，选项是-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy。这个选项最好和-XX:+PrintGCDetails以及-XX:+PrintGCDateStamps或者-XX:+PrintGCTimeStamps一起使用。下面是一个垃圾回收的例子-XX:+PrintGCDateStamps, -XX:PrintGCDetails, -XX:-UseAdaptiveSizePolicy (关闭自适应大小）, 以及-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy:

 

   2010-12-16T21:44:11.444-0600:

[GCAdaptiveSizePolicy::compute_survivor_space_size_and_thresh:

survived: 224408984

promoted: 10904856

overflow: false

[PSYoungGen: 6515579K->219149K(9437184K)]

8946490K->2660709K(13631488K), 0.0725945 secs]

[Times: user=0.56 sys=0.00, real=0.07 secs]

 

   和以前不同的是，以GCAdaptiveSizePolicy开头的一些额外信息输出来了，survived标签表明“to” survivor空间的对象字节数。在这个例子中，survivor空间占用量是224408984字节，但是移动到old代的字节数却有10904856字节。overflow表明young代是否有对象溢出到old代，换句话说，就是表明了“to” survivor是否有足够的空间来容纳从eden空间和“from”survivor空间移动而来的对象。为了更好的吞吐量，期望在应用处于稳定运行状态下，survivor空间不要溢出。

 

   为了开始优化，你应该关闭自适应大小以及获取在垃圾回收器日志里面额外的survivor空间统计信息，使用这两个选项-XX:-UseAdaptiveSizePolicy以及-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy。这样提供了一些初始化的信息，以帮助做出优化决定。假如之前使用下面的命令行选项：

 

 

 -Xmx13g -Xms13g -Xmn4g -XX:SurvivorRatio=6 -XX:+UseParallelOldGC -XX:PrintGCDateStamps
-XX:+PrintGCDetails

 

 

  那么，就应该如下一组命令行选项，来关闭自适应大小和捕获survivor空间统计信息：

 

 

 -Xmx13g -Xms13g -Xmn4g -XX:SurvivorRatio=6
-XX:+UseParallelOldGC -XX:PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCDetails
-XX:-UseAdaptiveSizePolicy -XX:+PrintAdaptiveSizePolicy

 

 

   首先在应用稳定运行状态下寻找FullGC信息，包括日期和时间戳可以用来识别出应用是否从启动状态进入了稳定状态。举例，如果你知道应用启动需要30秒时间，那么在应用启动30秒之后才观察垃圾回收。

 

   观察FullGC信息，你可能会发现有一些短存活时间的对象移动到了old代空间，如果FullGC发生了，首先要确定是old代的空间是FullGC之后存活对象的1.5倍。如果有需要，增加old代的空间来保持1.5倍的指标，这样，可以保证old代有足够的空间来处理不在预期内的转移率（导致短的存活时间的对象移动到old代）或者一些未知的情况——导致了对象的转移过快，拥有这样的额外空间，可以延迟甚至可能能够阻止FullGC的发生。

 

   在确定了old代有足够的空间之后，就需要观察MinorGC的状况。首先需要观察survivor空间是否溢出，如果survivor空间溢出了，那么overflow标签会是true，否则，overload字段会是false。下面是一个survivor空间溢出的例子：

 

   2010-12-18T10:12:33.322-0600:

[GCAdaptiveSizePolicy::compute_survivor_space_size_and_thresh:

survived: 446113911

promoted: 10904856

overflow: true

[PSYoungGen: 6493788K->233888K(9437184K)]

7959281K->2662511K(13631488K), 0.0797732 secs]

[Times: user=0.59 sys=0.00, real=0.08 secs]

 

如果survivor空间溢出，对象会再达到任期阀值或者消亡之前被移动到old代。换句话说，对象过快的移动到old代。频繁的survivor空间溢出会导致FullGC，下面说如何优化survivor。

   

优化survivor空间

 

   优化survivor空间的目标是保持或者老化短时间存活动的对象在young代中，一直到不得不移动到old代中。开始查看每一个MinorGC，尤其是存活的对象字节数。需要注意一点的是，为了避免应用启动的时候对象对后面分析的干扰，可以考虑放弃应用刚进入稳定状态的前面5到10个MinorGC信息。

 

   每次MinorGC之后的存活对象数量可以通过-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy来查看。在下面的例子中，survivor对象的字节数是224408984。

 

2010-12-16T21:44:11.444-0600:

[GCAdaptiveSizePolicy::compute_survivor_space_size_and_thresh:

survived: 224408984

promoted: 10904856

overflow: false

[PSYoungGen: 6515579K->219149K(9437184K)]

8946490K->2660709K(13631488K), 0.0725945 secs]

[Times: user=0.56 sys=0.00, real=0.07 secs]

[GCAdaptiveSizePolicy::compute_survivor_space_size_and_thresh:

survived: 224408984

promoted: 10904856

overflow: false

[PSYoungGen: 6515579K->219149K(9437184K)]

8946490K->2660709K(13631488K), 0.0725945 secs]

[Times: user=0.56 sys=0.00, real=0.07 secs]

 

   使用最大存活对象数量以及知道目标survivor空间的占用量，你可以决定出最差survivor空间大小，以使得让对象老化得更加高效。如果目标survivor空间的占用率没有通过-XX:TargetSurvivorRatio=<percent>指定，那么目标survivor空间的占用率是50%。

 

   首先为最差的场景优化survivor空间，这个需要找出在MinorGC之后最大的存活对象数量，注意可以忽略应用进入稳定状态前面的5到10个MinorGC。可以通过awk或者perl脚本来完成这项工作。

 

   调整survivor空间的大小，不是仅仅修改survivor空间的大小以使得比存活的对象字节数更大那么简单。需要记住的是，如果不增加young代的空间大小，而增加survivor空间的大小，会减少eden空间的大小，这样会导致频繁的MinorGC，从而是的对象的老化速度加快，更快的进入old代，又会导致FullGC。所以，需要同步增加young代的空间大小。如果不增加old的空间，那么就有可能造成频繁的FullGC甚至内存溢出错误。因此，如果有可以获取的空间，需要同步增加Java堆的空间。

 

   同样建议，HotSpot Vm使用默认的目标survivor空间占用率（50%），如果使用了-XX:TargetSurvivorRatio=<percent>，会使用<percent>作为MinorGC之后目标survivor空间占用率。如果survivor空间的占用率可能超过这个目标值，会在对象达到最大岁数之前把对象移动到old代去。

 

   通过一个例子详细说明，考虑用下面的命令选项：

 

-Xmx13g -Xms13g -Xmn4g -XX:SurvivorRatio=6
-XX:+UseParallelOldGC -XX:-UseAdaptiveSizePolicy
-XX:PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintAdaptiveSizePolicy

 

 

总共的Java堆空间是13g，young代是4g,old代是9g，survivor空间的大小是4g/(6+2)=512M。假如一个应用的存活对象是470M，由于没有明确指定-XX:TargetSurvivorRatio=<percent>，那么默认的目标survivor空间占用率是50%，那么最小的survivor空间应该是940M，也就是最坏的情况，需要设置940M的survivor空间。

   从上面的例子来看，4g的young代空间被分隔成两个512M的survivor空间和一个3g的eden空间。刚才分析的最坏情况分配给survivor的空间是940M，差不多和1g相当。为了保持对象老化速率，即保持MinorGC的频率，eden空间需要保持在3g。因此，young代需要给每一个survivor空间1g内存以及3g的eden空间，那么young代需要增加到5g，也就是说young代需要增加1g空间，需要把-Xmn4g选项改成-Xmn5g选项。比较的理想的情况是，同步把Java堆的空间也增加1g。但是如果内存不够用，需要保证old代空间大小至少是存活对象的1.5倍。

 

   假设应用的内存需求满足，增加survivor空间占用后的命令选项是：

 

    

 -Xmx14g -Xms14g -Xmn5g -XX:SurvivorRatio=3
-XX:+UseParallelOldGC -XX:-UseAdaptiveSizePolicy
-XX:PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintAdaptiveSizePolicy

 

 

   old空间还是9g，young代的空间是5g，比之前大了1g，eden还是3g，每一个survivor空间是1g。

 

   你可能需要重复多次设定大小，直到满足内存占用的条件下到达吞吐量的峰值。吞吐的峰值一般都是在对象最有效的老化的时候的达到的。

 

   通常的建议是，吞吐量垃圾回收器的垃圾回收的开销应该小于5%。如果你只能把这个开销降低1%甚至更少，你可能需要使用除本章描述之外的特别努力和很大的开销来优化JVM。

  

优化Parallel GC线程

 

   吞吐量垃圾回收器的线程数的优化同样基于有多少应用运行在同一个系统里面以及硬件平台。就像前面的“优化CMS”里面提到的，如果是多个应用运行在同一个系统上面，建议使用比垃圾回收器默认使用的线程数更少的线程数，使用选项是-XX:ParallelGCThreads=<n>.

 

  另外，由于大量的垃圾回收线程同时执行，垃圾回收可能会严重影响其他应用的性能。由于Java 6 Update 23之后，默认的垃圾回收线程是执行Runtime.availableProcessors()获得的，如果这个方法的返回值小于等于8，那么就用这个返回值，如果比8更大，那么就取这个值的5/8。如果运行多个应用，可以根据应用的情况来分配线程数，如果应用的消耗是相当的，那么就用CPU的内核数除以应用数得到每一个应用可以分配的线程。如果应用的load不相当，那么就可以根据应用的实际情况来衡量和分配。

   

下一步

   如果你到这一步都还没有能够达到吞吐量的要求，那么可以尝试后面的“额外的性能选项”，如果还是无法达到，就只能修改应用或者JVM部署结构了。如果进行了修改应用或者修改了部署结构，你需要重新做前面的各个步骤。

   可能会用到的一些边缘场景，下面一节介绍。

边缘问题

   在某些场景下，按照前面的一步步优化指导无法产生效果。这一节说明一下这些情况。

 

   一些应用分配了一些少量的非常大的长时间存活的对象。这样的场景需要需要young代的空间比old代更大。

 

   一些应用会经历很少的对象转移。这样的场景可能需要old代的空间远远大于存活对象的大小，由于old的占用量增长率很小。

 

   一些应用有小延迟需求，会使用CMS垃圾回收器，而且使用小young代空间（以致于MinorGC时间更短），以及大的old代空间。在这种配置下，对象会快速的从young代移动到old代，替代了高效老化对象。另外，CMS垃圾回收移动后的对象，碎片的可能性通过大的old代空间来解决。

 

   下一节介绍一些其他的HotSpot VM选项来提升应用的性能。

 

其他一些的性能命令行选项

 

   几个可选的前面有提到的命令选项可以用来提升Java应用的延迟和吞吐量性能，这些选项是通过JIT编译器代码优化以及其他的HotSpot VM优化能力。下面介绍这些特性以及相适应的命令选项。

 

   最新和最大优化

   当新的性能优化集成到HotSpot VM中之后，可以通过-XX:+AggressiveOpts选项来启用。

 

   通过选项来引入新的优化，可以把最新及最大的优化和以及经过长时间使用证明是稳定的优化分离开。应用通常更希望获得更好的稳定性，毕竟最新的优化可能会导致未知的问题。但是如果应用需要提升任何可以提升的性能优化的时候，可以使用命令选项来启用这些优化。

 

   当新的优化被证明是稳定的之后，他们会被默认使用，也许需要升级几个版本之后才会变成默认。

 

   使用-XX:+AggressiveOpts命令选项之后，需要考虑到性能的提升，同样也需要考虑到性能提升所带来的不稳定风险。

 

   逃避分析

 

   逃避分析是一个种分析Java对象范围的技术，在特殊情况下，一个线程分配的对象可能被另外一个线程使用，这个对象就叫着“逃避”。如果对象没有逃避，额外的优化技术可以应用，因此，这种优化技术叫做逃避分析。

 

   在HotSpot VM里面的逃避分析优化可以通过命令行选项：

 

 

   -XX:+DoEscapeAnalysis

   

   这是在Java 6 update 14中引入的，而且自动启用通过-XX:+AggressiveOpts。在Java 6 update 23中是默认开启的。

 

   通过逃避分析，HotSpot VM JIT编译器，可应用下面的优化技术：

 

   1、对象爆炸：对象爆炸是一种对象的属性存储在Java堆以外而且可能潜在的消失。比如说，对象属性可以直接被放置到内存的寄存器里面或者对象被分配栈里面而不是堆里面。

 

   分等级替换：分等级替换是一种用来减少内存使用的优化技术，考虑下面的Java类，表现为保存长方形的长和宽：

public class Rectangle {

  int length;

  int width;

}

   HotSpot VM可以优化内存分配和使用非逃避的Rectangle类的实例通过把长和宽都直接存储到CPU的寄存器而不是分配Rectangle对象，结果是当时需要使用长和宽属性的时候，不需要再复制到CPU的寄存器。这个可以减少内存的读取。

 

   2、线程栈分配：顾名思义，线程栈分配是一种把对象分配到线程栈中，而不是Java堆里面的优化技术。一个对象永远不逃避，就可以放置到线程栈框架里面，由于没有其他线程需要看到这个对象。线程栈分配可以减少对象分配到Java堆，可以减少GC的频率。

 

   3、消灭同步：如果线程分配的对象从来不会逃避，而且这个线程锁定了这个对象，这个锁可能会被JIT编译器消灭，毕竟没有其他线程会使用这个对象。

 

   4、消灭垃圾回收读写障碍：如果线程分配的对象从来不会逃避，只会被当前线程使用，所以在其他对象里面存储它的地址不需要障碍。读或者写障碍只有在对象会被其他线程使用的时候才有需要。

 

有偏见的锁

 

   有偏见的锁是使得锁更偏爱上次使用到它线程。在非竞争锁的场景下，即只有一个线程会锁定对象，可以实现近乎无锁的开销。

 

   有偏见的锁，是在Java 5 update 6引入的。通过HotSpot VM的命令选项-XX:+UseBiasedLocking启用。

 

   Java 5 HotSpot JDK需要明确的命令来启用这个特性，在使用-XX:+AggressiveOpts选项，有偏见的锁会Java 5中会被自动启用。在Java 6中是默认启用的。

 

   各种经历告诉我们这个特性对大多数应用还是非常有用的。然后，有一些应用使用这个属性不一定能够表现的很好，比如，锁被通常不被上次使用它的同一个线程使用。对于Java应用来说，由于stop-the-world安全点操作需要取消偏见，这样可以通过使用-XX:-UseBiaseLocking来获得好处。如果你不清楚你的应用是什么情况，可以通过分别设置这两个选项来测试。

 

大页面

 

   在计算机系统中，内存被分为固定大小的区块，这个区块就叫做页（page）。内存的存取是通过程序把虚拟内存地址转换成物理内存地址实现的。虚拟到物理地址是在一个块表里面映射的。为了减少每次存取内存的时候使用页表的消耗，通常会使用一种快速的虚拟到物理地址转换的缓存。这个缓存叫做转换后备缓冲区（translation lookaside buffer），简称TLB。

 

   通过TLB来满足虚拟到物理地址的映射请求，会比遍历页表来找到映射关系快很多，一个TLB通常包含指定数量的条目。一个TLB条目是一个基于页大小虚拟到物理地址映射，因此，更大的页大小允许一个条目或者一个TLB有更大的内存地址范围。在TLB中有更广泛的地址，更少的地址转换请求在TLB中不命中，就可以减少遍历页表(page table)操作。使用大页的目的就是减少TLB的不命中。

 

   Oracle solariz，Linux 以及Windows都支持HotSpot VM使用大页。通常处理器可以支持几种页大小，不过不同的处理器各不相同。另外，操作系统配置需要使用大页。

 

   下面说说怎么样在Linux下使用大页（Large Page）

 

Linux下的大页面

  在写作本书的时候，在Linux下使用大页，除使用-XX:+UseLargePages命令选项以外，需要修改操作系统配置。Linux的修改操作具体和发行版本以及内核有关系。为了合理的启用Linux下的大页，可以征询Linux管理员的意见或者阅读Linux发行文档。一旦使用了Linux操作系统配置已经修改，-XX:+UseLargePage命令行选项就必须要使用了。比如：

 

   $ java -server -Xmx1024m -Xms1024m -Xmn256m -XX:+UseLargePages ...

  如果大页没有被合理设置，HotSpot VM同样会接受-XX:+UseLargePages是一个有效的选项，不过会报告无法获取大页，而且会退回操作系统的默认页大小。