為任務關鍵型Java應用優化垃圾回收（上）
CMS垃圾回收器是第一個廣泛使用的低延遲回收器。雖然在Java 1.4.2中就可以使用了，但剛開始還不是很穩定。這些問題直到Java 5才得以解決。
從CMS回收器的名稱就可以看出它使用並行方式：大部分回收工作由一個GC執行緒完成，與處理使用者請求的工作執行緒並行執行。老年代原來單一的stop-the-world回收過程被劃分為兩個較短的stop-the-world暫停加上5個並行階段。在這些並行階段中，原來的工作執行緒照常運作（不會被暫停）。
使用下面的參數可以啟動CMS回收器：
-XX:+UseConcMarkSweepGC
再次應用到上面的測試程式（並提高負載）可以得到以下結果：
圖4 最佳化堆疊大小並使用CMS的JVM在50小時內的GC行為（-Xms1200m -Xmx1200m -XX:NewSize=400m -XX:MaxNewSize=400m -XX:SurvivorRatio=6 -XX:+UseConcMarkSweepGC ））
可以看到，老年代GC的8s左右暫停已經消失了。現在，老年代回收過程只出現兩次暫停（前一次的結果50小時內有5次），並且所有暫停都在1s內。
預設情況下，CMS回收器使用ParNew（GC演算法）處理新生代回收。如果ParNew和CMS一起運行，它的暫停會比沒有CMS時長一點，因為他們之間需要額外的協同工作。與上次的測試結果相比，可以從新生代的平均暫停時間略有上升發現這個問題。新生代暫停時間中離群值頻繁出現，從這裡也可以發現這個問題。離群值可達0.5s左右。但是這些暫停對許多應用來說已經夠短了，所以CMS/ParNew組合可以作為一個很好的低延遲最佳化選擇。
CMS回收器的一個嚴重缺陷是，當老年代空間都被佔滿時CMS無法啟動。一旦老年代被佔滿了，啟動CMS就太晚了；虛擬機必須使用通常的“stop-the-world”策略（在GC日誌中會出現“concurrent mode failure”的記錄） 。為了實現低延遲目標，當老年代空間佔用量達到一定閘限值時，就應該啟動CMS回收器，透過以下設定來實現：
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80
這表示一旦老年代空間被佔用80%時，CMS回收器就會運作。對於我們的應用，使用這個值（也就是預設值）就可以。但如果把門限值設太高的話，就會產生“concurrent mode failure”，導致長時間的老年代GC暫停。反過來，如果設的太低（低於活躍空間大小），CMS可能一直並行運行，導致某個CPU核心完全用在GC上。如果一個應用的物件創建和堆疊使用行為變化很快，例如透過互動的方式或計時器啟動專門的任務，很難設定一個合適的閘限值同時避免上述兩種問題。
然而，CMS最大的一個問題是它不會整理舊年代堆空間。這樣會產生堆碎片，隨著時間運行，會導致服務嚴重惡化。有兩個因素會導致這種情況：緊缺的老年代空間大小，以及頻繁的CMS回收。第一個因素可以透過增加老年代堆空間來改善，要大於ParallelGC回收器所需的空間（我從1024M增加到1200M，從前幾幅圖可以看到）。第二個問題可以透過適當地分割各代空間來優化，前面講過。我們可以實際看一下這樣可以把老年代GC的頻率降低多少。
為了證明使用CMS前合理地調整各代堆大小很重要，我們先看看如果不遵守上述的原則，在圖1（幾乎不對堆做優化）的基礎上直接使用CMS回收器會怎麼樣：
圖5 未最佳化堆疊大小的GC行為，以及使用CMS後記憶體碎片導致的效能惡化（從第14小時開始）
很明顯，JVM在這樣設定的負載測試下可以穩定地工作將近14個小時（在生產環境以及更小的負載條件下，這個不穩定的良性階段可能會持續更久）。接下來，突然會出現多次很長的GC暫停，暫停時間幾乎佔剩餘時間的一半。不僅老年代的暫停時間會達到10s以上，新生代的暫停時間也會達到數秒。因為回收器為了將新生代的物件移到老年代，需要耗費很長的時間搜尋老年代空間。
CMS低延迟优点的代价就是内存碎片。这个问题可以最小化，但是不会彻底消失。你永远不知道它什么时候会被触发。然而，通过合理的优化与监控可以控制它的风险。
G1回收器设计的目的就是保证低延迟的同时而没有堆碎片风险。因此，Oracle把它作为CMS的一个长期取代。G1可以避免碎片风险是因为它会整理堆空间。对于GC暂停来说，G1的目标并不是使暂停时间最小化，而是设置一个时间上限，使GC暂停尽量满足这一上限值。
在将G1回收器用于测试程序中并与上述其他经典回收器做对比之前，先总结两点关于G1的重要信息。
Oracle在Java 7u4中开始支持G1。为了使用G1你应该将Java 7更新到最新。Oracle的GC团队一直致力于G1的研发，在最新的Java更新中（本文编写时最新版本是7u7到7u9），G1的改进很显著。另一方面，G1无法在任何Java 6版本中使用，而且到目前更优越的Java 7不可能向后移植到Java 6中。
前面关于调节各代空间大小的优化对G1来说已经淘汰了。设置各代空间大小与设置暂停目标时间相冲突会使G1回收器偏离原本的设计目标。使用G1时，可以使用“-Xms”和“-Xmx”设置整体的内存大小，也可以设置GC暂停目标时间（可选），对G1来说不用设置其他选项。与ParallelGC回收器的AdapativeSizingPolicy类似，它自适应地调整各代空间大小来满足暂停目标时间。
遵循这些原则后，G1回收器在默认配置下的结果如下：
图6 最小配置(-Xms1024m -Xmx1024 -XX:+UseG1GC)的JVM在G1下26小时内的GC性能
在这个例子中，我们使用了默认的GC暂停目标时间200ms。从图中可以看到，平均时间与这个目标比较吻合，最长GC暂停时间与使用CMS回收器差不多（图4）。G1明显可以很好地控制GC暂停，与平均时长相比，离群值也相当少。
另一方面，平均GC暂停时间要比CMS回收器长很多（270 vs 100ms），而且更频繁。这意味着GC累积暂停时间（也就是GC本身所占总时间）是使用CMS的4倍以上（6.96% vs 1.66%）。
与CMS一样，G1也分为GC暂停阶段和并行回收阶段（不暂停任务）。同样与CMS类似，当堆占用比达到一定门限后，它才启动并行回收阶段。从图6可以看到，1GB的可用内存到目前为止并没有完全使用。这是因为G1的默认占用比门限值要比CMS低很多。也有人指出，一般来说较小的堆空间就可以满足G1的需求。
下面的表格总结了Oracle Java 7中4种最重要的垃圾回收器在测试中的关键性能指标。在同样的应用程序上，进行相同的负载测试，但是负载的级别不同（由第2列的垃圾创建速率体现）。
表 几种垃圾回收器的比较
所有的回收器都运行在1GB的堆空间上。传统的回收器（ParallelGC、ParNewGC和CMS）另外使用下面的堆设置：
-XX:NewSize=400m -XX:MaxNewSize=400m -XX:SurvivorRatio=6
而G1回收器没有额外的堆大小设置，并且使用默认的暂停目标时间200ms，也可以显示设置：
-XX:MaxGCPauseMillis=200
从表中可以看到，传统回收器在新生代回收上（第3列）时间差不多。对ParallelGC和ParNewGC来说是差不多的，而CMS实际上也是使用ParNewGC去回收新生代。然而，在新生代GC暂停中，将新生代存活对象移入老年代需要ParNewGC和CMS的协同。这样的协同引入额外的代价，也就导致CMS的新生代GC暂停时间要略长。
第7列是GC暂停所耗费的时间占总时间的百分比，这个值可以很好地反映GC的总时间代价。因为并行GC总时间（最后一列）以及引入的CPU占用代价可以忽略。按前文所述，优化堆大小后老年代GC次数会变得很少，这样第7列的值主要由新生代GC暂停总时间所决定。新生代暂停总时间是新生代暂停（连续）时长（第3列）与暂停次数的乘积。新生代暂停频率与新生代空间大小有关，对传统回收器来说，这个大小是相同的（400MB）。因此，对传统回收器来说，第7列的值或多或少地反映着第3列的值（负载差不多的情况）。
CMS的優點可以從第6列明顯看出：它用稍長的總時間代價換來了更短（低一個量級）的老年代GC暫停。對許多真實環境的應用來說，這是一個不錯的折衷。
那麼，對於我們的應用，G1回收器表現怎麼樣呢？第6列（以及第5列）可以看出，在減少老年代GC暫停時長上，G1回收器比CMS回收器做的好。但從第7列也可以看到，它付出相當高的代價：同樣的負荷下，GC總時間代價佔7%，而CMS只佔1.6%。
我會在後續的文章中檢查在什麼條件下會導致G1產生更高的GC時間代價，同樣也會分析G1與其他回收器（尤其是CMS回收器）相比的優缺點。這是一個龐大且有價值的主題。
對所有的經典Java GC演算法（SerialGC、ParallelGC、ParNewGC和CMS）來說，優化各代堆空間大小是很重要的，然而實際中許多應用程序並沒有做足夠合理的優化。導致的結果就是應用效能不夠優化，以及操作退化（造成效能損失，如果沒有很好地監控甚至會出現一段時間內程式暫停的情況）。
優化各代堆空間大小可顯著提升應用效能，並將GC長暫停次數降至最低。然後，消除GC長暫停需要使用低延遲回收器。 CMS一直（直到現在）是首選且有效的低延遲回收器。在很多情況下，CMS就可以滿足需求。透過合理的優化，它還是可以確保長期穩定，只不過有堆碎片的風險。
作為替代，G1回收器目前（Java 7u9）是一個被支援且可用的選擇，但仍有改進的空間。對許多應用來說，它的結果可以接受，但與CMS回收器相比還不是很好。其優缺點的細節值得仔細研究
以上是詳解為任務關鍵型Java應用優化垃圾回收（下）的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！
