让Java应用程序运行是一回事,但让他们跑得快就是另外一回事了。在面对对象的环境中,性能问题就像来势凶猛的野兽。但JVM的复杂性将性能调整的复杂程度增加了一个级别。这里Refcard涵盖了JVM internals、class loading(Java8中更新以映射最新的元空间)、垃圾回收、故障诊断、检测、并发性,等等。

介绍

Java是目前软件开发领域中使用最广泛的编程语言之一。Java应用程序在许多垂直领域(银行、电信、医疗保健等)中都有广泛使用。Refcard的目的是,帮助开发者通过专注于JVM内部,性能调整原则和最佳实践,以及利用现有监测和故障诊断工具,来提升应用程序在商业环境中的性能。

它能以不同的方式定义“optimal performance(最佳性能)”,但基本要素是:Java程序在业务响应时间要求内执行计算任务的能力,程序在高容量下执行业务功能的能力,并具有可靠性高和延迟低的特点。有时,数字本身变得模式化:对于一些大型网站,优秀的页面响应时间应该在500ms以下。在适当的时候,Refcard包括目标数字。但在大多数情况下,您需要根据业务需求和现有的性能基准自己决定这些。

JVM Internals

基础知识


代码编译和JIT

编译Java字节码显然没有直接从主机执行本机代码那么快。为了提高性能,Hotspot JVM找出最繁忙的字节码区域,然后将其编译成更高效地原生、机器代码(自适应优化)。然后这种本地代码就会存储在非堆内存中的代码缓存中。

注意:多数的JVM是通过禁用JIT编译器实现的(Djava.compiler=NONE)。您只需要考虑禁用的关键性优化,比如JVM崩溃。

下图说明了Java源代码,即时编译流程和生命周期。



内存空间

HotSpot Java Virtual Machine是由以下的存储空间组成。

存储空间描述
Java HeapJava程序类实例和数组的主存储器。
Permanent Generation(JDK 1.7及以下版本)Metaspace (JDK 1.8及以上版本)Java类元数据的主存储器。注意:从Java 8开始,PermGen空间就由元空间和使用本地存储器替换了,类似于IBM J9 JVM。
Native Heap(C-Heap)本地内存存储线程、栈、包括对象的代码缓存,如MMAP文件和第三方本机库。

类加载

Java的另一个重要特点是,在JVM启动之后,它能够加载编译的Java类(字节码)。根据程序的大小,在刚刚重启之后,程序在类加载过程中性能会显著降低。这种现象是因为内部JIT编译器在重启之后需要重新开始优化。

自JDK 1.7版本之后,有一些改进值得大家重视。例如默认的JDK class loader具有更好的装在类并发能力。

热点

关注的区域建议
JVM重启后的性能下降避免部署过量的Java类到一个单一的应用程序类加载器(例如:非常大的WAR文件)
运行时发现过多的类加载争夺(thread lock, JAR file searches…) ,降低了整体性能。分析您的应用程序并识别代码模块进行动态类加载操作过于频繁。积极寻找非一站式类加载错误,如ClassNotFoundException和NoClassDefFoundError。再访Java映射API和适用情况下优化的过度使用。
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space (JDK 1.7及以下版本)java.lang.OutOfMemoryError:元空间(JDK 1.8及以上版本)再访JVM Permanent Generation、Metaspace (MaxMetaSpaceSize)和本地内存容量在适用情况下的尺寸。分析应用程序类加载器和识别元数据的内存泄漏的源头。

故障诊断和监视

目标建议
跟踪那些加载到不同的类加载器的Java类。配置程序选择使用的Java profiler,例如JProfiler或Java VisualVM。将重点放在类加载器的操作和内存占用上。可以通过–verbose:class. for the IBM JVM,生成多个Java核心快照跟踪活动的类加载器和加载类。
调查类元数据的内存泄露的可以来源。配置程序和定义可能的culprit(s)。生成并分析JVmheap dump快照,专注于类加载器和java.lang.Class中的实例。



确保适当的Permanent Generation / Metaspace和本地内存大小。密切监视你的PermGen、元空间和本机内存利用率,并调整到适合的最大容量。分析程序类加载器的大小,并寻找机会适当地减少元数据足迹。

垃圾回收

Java垃圾回收流程对于程序性能是至关重要的。为了提供有效的垃圾回收,Heap(堆)本质上是划分在子区域中。

堆区域

区域描述
最新一代-Young Generation (nursery space)新的或短暂的对象分配保留堆的一部分。垃圾被一个fast but stop-the-world YG的收集器进行回收。


在young space中呆了足够久的对象就会提升到old space。

注意:YG space的尺寸和GC频率过高将会显著影响程序的响应时间,从而导致JVM的暂停时间增加。

老一代-Old Generation  (tenured space)heap的一部分留给了long-lived对象。垃圾通常通过平行或并发(多数时候)进行收集,诸如CMS或gencon (IBM JVM)。


性能提示:根据应用程序的需求选择并测试最佳的GC策略是非常重要的。例如,当切换到并发GC收集(如CMS或G1)可以显著提高应用程序的平均响应时间(减少延迟)。


GC Collectors

选择正确的collector或GC policy可以将程序的性能、可扩展性和可靠性优化到最佳状态。许多应用程序对于响应时间延迟都很敏感,因此大多需要使用并发的回收器,例如HotSpot CMS或IBM GC policy balanced。

我们强烈建议您通过适当的性能和负载测试确定最合适的GC策略。应该在生产环境中执行全面监控策略,以跟踪整体的JVM性能,并确定在之后需要改进的领域。

GC论据描述
串行回收器-XX:+UseSerialGC (Oracle HotSpot)无论新旧回收器都使用单独CPU,像是一种stop the world的时尚。



并行回收器(吞吐量回收器)-XX:+UseParallelGC-XX:+UseParallelOldGC
(Oracle Hotspot)


-Xgcpolicy:optthruput
(IBmJ9, single space, stop-the-world)

旨在利用CPU的内核优势。无论新旧回收器都使用多个Gcthreads(via –XX:ParallelGCThreads=n),从而更好地利用来自主机的可用的CPU内核来完成。注意:虽然回收时间可以显著减少,但是有着大尺寸堆的程序面临着large、stop-the-world、old回收,并且响应时间也受到影响。



确保适当的Permanent Generation / Metaspace和本地内存大小。密切监视你的PermGen、元空间和本机内存利用率,并调整到适合的最大容量。分析程序类加载器的大小,并寻找机会适当地减少元数据足迹。旨在最大限度地减少旧一代stop-the-world回收器对程序响应时间的影响。大多数使用CMS collector的老一代回收器与所述应用程序的执行同时进行。


注意:YoungGen collections仍然有stop-the-world事件,因此需要适当的微调,以减少总JVM暂停时间。


Garbage First (G1) Collector

HotSpot G1 collector是专为是专为满足用户定义的垃圾回收(GC)高概率暂停时间设计的,同时实现高吞吐量。

最新的HotSpot collector将heap基本划分到一组大小相等的堆区域,虚拟内存的每个区域连续范围。它将回收压缩的活动集中在heap区域,那里充满了可回收的对象(garbage first)。换句话说就是,这个区域有最低限度的“live”对象。

Oracle建议在以下例子和情况下使用G1 collector,尤其是对于目前正在使用CMS或parallel collectors的:

  • 专为large heaps(>= 6 GB),并限制GC延迟(暂停时间<= 0.5秒)的应用程序设计。

  • 超过50%的Java heap被实时数据占用(对象不能被GC回收)。

  • 对象分析率和促进作用显著变化。

  • 不期望过长的垃圾回收或压缩停顿(超过0.5至1秒)。


Java Heap尺寸

你一定要知道没有GC策略可以挽救Java Heap尺寸不足的现象。这些演习涉及到为不同的存储空间(包括新旧不同的版本)配置最大和最小的容量,包括元数据和本地内存容量。这里有一些建议准则:

  • 在32-bit或64-bit JVM之间进行明智的选择。如果程序运行需要超过2GB内存,并且JVM暂停时间在可接受范围内,可以考虑使用64-bit JVM。

  • 永远将应用程序放在第一考虑。确保将其配置好,并根据程序的内存占用量调整heap尺寸。建议通过性能和负载测试来衡量实时数据占有量。

  • larger heap并不总是表现得更好、更快,因此不需要过度调整Java heap。并行中的JVM性能调优,找准机会减少或“spread”程序的内存占有量,以保证JVM的平均响应时间<1%。

  • 对于32-bit JVM,为了从元数据和本地heap中留出一些内存,考虑2GB的最大heap尺寸。

  • 对于64-bit JVM,我们要想办法在垂直和水平层面进行扩展,而不是试图将Java heap尺寸增加到15GB以上。这种做法往往提供更好的吞吐量,更好地利用硬件,提高应用程序的故障切换功能。

  • 不许重复开发:充分利用开源以及商业故障排除的优势和监控工具,使这些变成可能。APM(应用性能管理)产品在过去十年里发展迅猛。

JDK 1.8 Metaspace指南

目标建议
内存大小GC调整


监控和故障排除

默认情况下,元空间内存空间是×××的,并使用可用于动态扩展的process或OS native memory。内存空间分成快并通过mmap被JVM进行存储。我们建议保持默认设置,以动态调整模式为出发点,将简化的尺寸与密切监测的应用程序元数据占有量相结合,从而进行更好的容量规划。新增一个JVM选项(-XX:MaxMetaspaceSize=<NNN>),可以让您限制分配给class metadata的本地内存。当面临物理资源(RAM)紧张或类似于内存泄露的情况时,建议将它作为一个保障机制。


对那种具有larger class metadata footprint或dynamic classloading的Java应用程序,我们建议通过新的JVM选项调整初始元空间大小 :-XX:MetaspaceSize=<NNN>,例如:1GB。这种调整方法将有助于避免包括class metadata在内的早期垃圾回收,尤其是在Java应用程序的 “warm-up”期。

Hot Spots


故障诊断和监视

目标建议
测量和监视应用程序YoungGen和OldGen内存占用,包括GC活动。为您的应用程序决定正确的GC策略和Java堆大小。


调整应用程序的内存占用量,如live对象。

分析、监控您所使用的Java分析工具,如JProfiler、Java VisualVM或其他商业APM产品。允许通过–verbose:gc记录JVM GC活动。您也可以使用类似GCMV(GC Memory Visualizer)的工具查看JVM的暂停时间和内存分配率。


性能提示:过多的内存分配率可能意味着需要进行垂直和横向扩展,或从多个JVM进程中分离出实时数据。

为了long-lived对象或long-term实时数据考虑,可以生成并分析JVM heap dump快照。Heap dump分析对于程序内存占用(retention)的优化是非常有帮助的。

性能提示:由于从32位到64位,Java应用程序对heap 的需求会比原来高1.5倍。所以,在Java 1.7及以下的版本(这是默认的)中使用 -XX:+UseCompressedOops是非常重要的。这样的参数调整大大减轻了64位JVM的性能压力。

调查OutOfMemoryError 问题,寻找OldGen内存泄露的根源。使用类似Java VisualVM、Plumbr的工具(Java内存泄漏检测器),分析可能存在的内容泄露。性能提示:要着重分析最大的Java对象上。要意识到降低内存占有量就意味着提升性能,并降低GC活动。



使用类似 Memory Analyzer的工具生成并分析JVM heap dump快照。


Java并发

Java并发性可以定义为程序同时执行多个任务的能力。对于大型的Java EE系统,这意味着执行多个用户的业务功能的同时,实现最佳的吞吐量和性能的能力。

无论是硬件能力还是JVM稳定状况,Java并发性问题可能引起程序的瘫痪,严重影响程序的整体性能和可用性。


Thread Lock Contention

当您评估Java应用程序的并发线程的稳定状况时,你会经常遇到Thread lock contention的问题,这是目前最常见的Java并发问题。

例如:Thread lock contention会触发non-stop,它会尝试将一个缺少Java类(ClassNotFoundException的)加载到默认的JDK 1.7 ClassLoader。


如果您在成熟的技术环境中遇见像Thread Dump analysis这样的问题,我们强烈建议您积极面对它。这个问题的根源通常不同于之前的Java synchronization to legitimate IO blocking或者其他的non-thread safe calls。Lock contention问题往往是另一个问题的“症状”。

说到并发这一块的问题,在这里给大家推荐一个架构交流学习群:650385180,里面会分享一些资深架构师录制的视频录像:有Spring,MyBatis,Netty源码分析,高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理,JVM性能优化这些成为架构师必备的知识体系。还能领取免费的学习资源,以下的知识体系图也是在群里获取。相信对于已经工作和遇到技术瓶颈的码友,在这个群里一定有你需要的内容。


Java-level Deadlocks

真正的Java-level deadlocks是不太常见的,它同样可以极大程度地影响应用程序的性能和稳定性。当遇到两个或多个线程永远阻塞的时候,就会触发这样的问题。这种情况不同于其他常见的那种“day-to-day”线程问题,例如 lock contention、threads waiting on blocking IO calls等等。真正的lock-ordering deadlock问题可以被看做如下:


Oracle HotSpot 和IBM JVM为大多数的deadlock detectors情况提供了解决方案,帮助您快速找出造成这种状况的罪魁祸首的线程。遇到类似lock contention troubleshooting的问题,建议从诸如线程转储分析为出发点来解决该问题。

一旦找到造成问题的代码根源,解决方案涉及lock-ordering条件寻址和来自JDK其他可用的并发编程技术,如java.util.concurrent.locks.ReentrantLock,提供了诸如tryLock()的方法。这种方法给予开发人员更大的灵活性,也为防止deadlock和thread lock “starvation”提供了更多方式。


Clock Time和CPU Burn

在进行JVM调优的同时,也有必要检查应用程序的行为,更确切地说是最高clock time和CPU burn的贡献者。

当Java垃圾回收和线程并发不再是压力点,深入到你的应用程序代码的执行模式,并专注于顶级响应时间贡献者(也叫作clock time)是很重要的。检查应用程序代码的消CPU耗和Java 线程(CPU burn)也同样至关重要。CPU使用率较高(>75%)是不正常的(良好的物理资源的利用率)。因为这往往意味着效率低下和容量问题。对于大型的Java EE企业应用,保持安全的CPU缓冲区是必要的,以应对突发的负载冲击情况。

摒弃那些传统的跟踪方法,如在代码中加入响应时间“日志”。Java剖析工具和APM解决方案恰恰可以帮助您分析这类型的问题。这种方式更加高效、可靠。对于Java生产环境缺乏一个强大的APM解决方案。您仍然可以依赖诸如Java VisualVM的工具,通过多个快照进行thread dump分析,并使用OS CPU分析每个线程。

最后的建议是,不要妄图同时解决所有的问题。列出排在最前面的5个clock time和CPU burn问题,然后寻找解决方案。


Application预算

其他关于Java应用程序性能的重要方面是稳定性和可靠性。在有着99.9%典型可用目标的SLA umbrella下,稳定和可靠对于程序的操作尤为重要。这些系统应该具有高容错级别,并对应用和资源进行严格的预算,以防止发生多米诺效应。用这种方法可以防止一些这样的情况,例如,一个业务流程使用所有可用的物理,中间件或JVM资源。

Hot Spots



超时管理

Java application与外部系统之间缺乏合理的超时时间,由于中间件和JVM线程消耗(blocking IO calls),可能导致严重的性能下降和中断。合理的超时时间可以避免在遇到外部服务提供商速度缓慢的时候,Java线程等待太久。




工具

目标建议工具
自动、实时地性能监控、调节、预警、趋势分析、容量管理,等等Enterprise APM solutions(企业级APM解决方案)注意:APM解决方案提供了工具,这些现成的功能让您实现以下大部分的Java性能目标。
性能和负载测试商业性能测试解决方案Apache JMeter


http://jmeter.apache.org/

JVM垃圾回收评估,内存分配率和故障排除Oracle Java VisualVMhttp://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/visualvm/intro.html


http://java.dzone.com/articles/profile-your-applications-java

Oracle Java Mission Control

http://www.oracle.com/technetwork/java/javaseproducts/mission-control/java-mission-control-wp-2008279.pdf

http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/jmc53-release-notes-2157171.html

IBM Monitoring and Diagnostic Tools for Java (via IBM Support Assistant tool)

http://www-01.ibm.com/software/support/isa/

JVM verbose:gc logs

JVM argument : -verbose:gc

http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/windows/java.html

IBM GCMV

https://www.ibm.com/developerworks/java/jdk/tools/gcmv/

JVM堆和类的元数据的内存泄漏分析Oracle Java VisualVM and Oracle Java Mission ControlIBM Monitoring and Diagnostic Tools for Java


Memory Analyzer (heap dump analysis, hprof and phd formats)

https://www.eclipse.org/mat/

https://www.ibm.com/developerworks/java/jdk/tools/memoryanalyzer/

JVM内存分析和堆容量评估Oracle Java VisualVM and Java Mission ControlIBM Monitoring and Diagnostic Tools for Java


Java profilers (JProfiler, YourKit)

http://en.wikipedia.org/wiki/JProfiler

http://www.yourkit.com/

Memory Analyzer (heap dump and application memory footprint analysis)

JVM和中间件并发故障,如thread lock contention和deadlocksOracle Java VisualVM and Oracle Java Mission Control (threads monitoring, thread dump snapshots)jstack, native OS signal such as kill -3 (thread dump snapshots)


http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tooldescr-136044.html#gblfh

IBM Monitoring and Diagnostic Tools for Java

注意:强烈推荐大家关注如何执行一个JVM线程转储分析的相关知识。

Java应用程序clock time分析和评测Oracle Java VisualVM and Oracle Java Mission Control (build-in profiler, sampler and recorder)Java profilers (JProfiler, YourKit)
Java应用程序和线程CPU burn分析Oracle Java VisualVM and Oracle Java Mission Control (CPU profiler)Java profilers (JProfiler, YourKit)


注意:必要的时候,您还可以依赖JVM线程转储和OS CPU每个线程分析。

Java IO和remoting contention分析,包括超时管理评估和调整Oracle Java VisualVM and Oracle Java Mission Control(threads monitoring, thread dump snapshots)


jstack, native OS signal such as kill -3 (thread dump snapshots)

IBM Monitoring and Diagnostic Tools for Java

注意:强烈推荐大家关注如何执行一个JVM线程转储分析的相关知识。

中间件,Java EE容器调整,如线程、JDBC数据源,等等Oracle Java VisualVM and Oracle Java Mission Control (extra focus on exposed Java EE container runtime MBeans)Java EE container administration and management console