成为JavaGC专家（2）—如何监控Java垃圾回收机制

什么是GC监控？

垃圾回收收集监控指的是搞清楚JVM如何执行GC的过程，例如，我们可以查明：

1.        何时一个新生代中的对象被移动到老年代时，所花费的时间。

2.       Stop-the-world 何时发生的，持续了多长时间。

GC监控是为了鉴别JVM是否在高效地执行GC，以及是否有必要进行额外的性能调优。基于以上信息，我们可以修改应用程序或者调整GC算法（GC优化）。

如何监控GC

有很多种方法可以监控GC，但其差别仅仅是GC操作通过何种方式展现而已。GC操作是由JVM来完成，而GC监控工具只是将JVM提供的GC信息展现给你，因此，不论你使用何种方式监控GC都将得到相同的结果。所以你也就不必去学习所有的监控GC的方法。但是因为学习每种监控方法不会占用太多时间，了解多一点可以帮助你根据不同的场景选择最为合适的方式。

下面所列的工具以及JVM参数并不适用于所有的HVM供应商。这是因为并没有关于GC信息的强制标准。本文我们将使用HotSpot JVM (Oracle JVM)。因为NHN 一直在使用Oracle (Sun) JVM，所以用它作为示例来解释我们提到的工具和JVM参数更容易些。
首先，GC监控方法根据访问的接口不同，可以分成CUI 和GUI 两大类。CUI GC监控方法使用一个独立的叫做”jstat”的CUI应用，或者在启动JVM的时候选择JVM参数”verbosegc”。
GUI GC监控由一个单独的图形化应用来完成，其中三个最常用的应用是”jconsole”, “jvisualvm” 和 “Visual GC”。
下面我们来详细学习每种方法。

jstat

jstat 是HotSpot JVM提供的一个监控工具。其他监控工具还有jps 和jstatd。有些时候，你可能需要同时使用三种工具来监控你的应用。jstat 不仅提供GC操作的信息，还提供类装载操作的信息以及运行时编译器操作的信息。本文将只涉及jstat能够提供的信息中与监控GC操作信息相关的功能。
jstat 被放置在$JDK_HOME/bin。因此只要java 和 javac能执行，jstat 同样可以执行。
你可以在命令行环境下执行如下语句。

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$> 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   $>

在上图的例子中，实际的数据会按照如下列输出：

1	S0C    S1C     S0U     S1U    EC     EU     OC     OU     PC

vmid (虚拟机 ID)，正如其名字描述的，它是虚拟机的ID，Java应用不论运行在本地还是远程的机器都会拥有自己独立的vmid。运行在本地机器上的vmid称之为lvmid (本地vmid)，通常是PID。如果想得到PID的值你可以使用ps命令或者windows任务管理器，但我们推荐使用jps来获取，因为PID和lvmid有时会不一致。jps 通过Java PS实现，jps命令会返回vmids和main方法的信息，正如ps命令展现PIDS和进程名字那样。
首先通过jps命令找到你要监控的Java应用的vmid，并把它作为jstat的参数。当几个WAS实例运行在同一台设备上时，如果你只使用jps命令，将只能看到启动（bootstrap）信息。我们建议在这种情况下使用ps -ef | grep java与jps配合使用。
想要得到GC性能相关的数据需要持续不断地监控，因此在执行jstat时，要规则地输出GC监控的信息。
例如，执行”jstat –gc 1000″ (或 1s)会每隔一秒展示GC监控数据。”jstat –gc 1000 10″会每隔1秒展现一次，且一共10次。

参数名称	描述
gc	输出每个堆区域的当前可用空间以及已用空间（伊甸园，幸存者等等），GC执行的总次数，GC操作累计所花费的时间。
gccapactiy	输出每个堆区域的最小空间限制（ms）/最大空间限制（mx），当前大小，每个区域之上执行GC的次数。（不输出当前已用空间以及GC执行时间）。
gccause	输出-gcutil提供的信息以及最后一次执行GC的发生原因和当前所执行的GC的发生原因
gcnew	输出新生代空间的GC性能数据
gcnewcapacity	输出新生代空间的大小的统计数据。
gcold	输出老年代空间的GC性能数据。
gcoldcapacity	输出老年代空间的大小的统计数据。
gcpermcapacity	输出持久带空间的大小的统计数据。
gcutil	输出每个堆区域使用占比，以及GC执行的总次数和GC操作所花费的事件。

你可以只关心那些最常用的命令，你会经常用到 -gcutil (或-gccause), -gc and –gccapacity。

·         -gcutil 被用于检查堆间的使用情况，GC执行的次数以及GC操作所花费的时间。

·         -gccapacity以及其他的参数可以用于检查实际分配内存的大小。

使用-gc 参数你可以看到如下输出：

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

不同的jstat参数输出不同类型的列，如下表所示，根据你使用的”jstat option”会输出不同列的信息。

列	说明	Jstat参数
S0C	输出Survivor0空间的大小。单位KB。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
S1C	输出Survivor1空间的大小。单位KB。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
S0U	输出Survivor0已用空间的大小。单位KB。	-gc -gcnew
S1U	输出Survivor1已用空间的大小。单位KB。	-gc -gcnew
EC	输出Eden空间的大小。单位KB。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity
EU	输出Eden已用空间的大小。单位KB。	-gc -gcnew
OC	输出老年代空间的大小。单位KB。	-gc -gccapacity -gcold -gcoldcapacity
OU	输出老年代已用空间的大小。单位KB。	-gc -gcold
PC	输出持久代空间的大小。单位KB。	-gc -gccapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity
PU	输出持久代已用空间的大小。单位KB。	-gc -gcold
YGC	新生代空间GC时间发生的次数。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
YGCT	新生代GC处理花费的时间。	-gc -gcnew -gcutil -gccause
FGC	full GC发生的次数。	-gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
FGCT	full GC操作花费的时间	-gc -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
GCT	GC操作花费的总时间。	-gc -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause
NGCMN	新生代最小空间容量，单位KB。	-gccapacity -gcnewcapacity
NGCMX	新生代最大空间容量，单位KB。	-gccapacity -gcnewcapacity
NGC	新生代当前空间容量，单位KB。	-gccapacity -gcnewcapacity
OGCMN	老年代最小空间容量，单位KB。	-gccapacity -gcoldcapacity
OGCMX	老年代最大空间容量，单位KB。	-gccapacity -gcoldcapacity
OGC	老年代当前空间容量制，单位KB。	-gccapacity -gcoldcapacity
PGCMN	持久代最小空间容量，单位KB。	-gccapacity -gcpermcapacity
PGCMX	持久代最大空间容量，单位KB。	-gccapacity -gcpermcapacity
PGC	持久代当前空间容量，单位KB。	-gccapacity -gcpermcapacity
PC	持久代当前空间大小，单位KB	-gccapacity -gcpermcapacity
PU	持久代当前已用空间大小，单位KB	-gc -gcold
LGCC	最后一次GC发生的原因	-gccause
GCC	当前GC发生的原因	-gccause
TT	老年化阈值。被移动到老年代之前，在新生代空存活的次数。	-gcnew
MTT	最大老年化阈值。被移动到老年代之前，在新生代空存活的次数。	-gcnew
DSS	幸存者区所需空间大小，单位KB。	-gcnew

jstat 的好处是它可以持续的监控GC操作数据，不论Java应用是运行在本地还是远程，只要有控制台的地方就可以使用。当使用–gcutil 会输出如下信息。在GC优化的时候，你需要特别注意YGC, YGCT, FGC, FGCT 和GCT。

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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

这些信息很重要，因为它们展示了GC处理到底花费了多少时间。
在这个例子中，YGC 是217而YGCT 是0.928，这样在简单的计算数据平均数后，你可以知道每次新生代的GC大概需要4ms（0.004秒），而full GC的平均时间为33ms。
但是，只看数据平均数经常无法分析出真正的GC问题。这是主要是因为GC操作时间严重的偏差（换句话说，假如两次full GC的时间是 67ms，那么其中的一次full GC可能执行了10ms而另一个可能执行了57ms。）为了更好地检测每次GC处理时间，最好使用 –verbosegc来替代数据平均数。

-verbosegc

-verbosegc 是在启动一个Java应用时可以指定的JVM参数之一。而jstat 可以监控任何JVM应用，即便它没有制定任何参数。 -verbosegc 需要在启动的时候指定，因此你可能会认为它没有必要（因为jstat可以替代之）。但是， -verbosegc 会以更浅显易懂的方式展现GC发生的结果，因此他对于监控监控GC信息十分有用。

	jstat	-verbosegc
监控对象	运行在本机的Java应用可以把日志输出到终端上，或者借助jstatd命令通过网络连接远程的Java应用。	只有那些把-verbogc作为启动参数的JVM。
输出信息	堆状态（已用空间，最大限制，GC执行次数/时间，等等）	执行GC前后新生代和老年代空间大小，GC执行时间。
输出时间	Every designated time 每次设定好的时间。	每次GC发生的时候。
何时有用。	当你试图观察堆空间变化情况	当你试图了解单次GC产生的效果。

下面是-verbosegc 的可用参数
· -XX:+PrintGCDetails
· -XX:+PrintGCTimeStamps
· -XX:+PrintHeapAtGC
· -XX:+PrintGCDateStamps (from JDK 6 update 4)

如果只是用了 -verbosegc 。那么默认会加上 -XX:+PrintGCDetails。 –verbosgc 的附加参数并不是独立的。而是经常组合起来使用。
使用 –verbosegc后，每次GC发生你都会看到如下格式的结果。

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

收集器	minor gc使用的收集器的名字。
starting occupancy1	GC执行前新生代空间大小。
ending occupancy1	GC执行后新生代空间大小。
pause time1	因为执行minor GC，Java应用暂停的时间。
starting occupancy3	GC执行前堆区域总大小
ending occupancy3	GC执行后堆区域总大小
pause time3	Java应用由于执行堆空间GC（包括major GC）而停止的时间。

这是-verbosegc 输出的minor GC的例子。

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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

这是 Full GC发生时的例子

1	[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 collector，那么如下CMS信息也会被输出。
由于 –verbosegc 参数在每次GC事件发生的时候都会输出日志，我们可以很轻易地观察到GC操作对于堆空间的影响。

(Java) VisualVM  + Visual GC

Java Visual VM是由Oracle JDK提供的图形化的汇总和监控工具。

图1: VisualVM 截图

除了JDK中自带的版本，你还可以直接从官网下载Visual VM。出于便利性的考虑，JDK中包含的版本被命名为Java VisualVM (jvisualvm),而官网提供的版本被命名为Visual VM (visualvm)。两者的功能基本相同，只有一些细小的差别，例如安装组件的时候。就个人而言，我更喜欢可以从官网下载的Visual VM。

图 2: Viusal GC 安装截图

通过Visual GC，你可以更直观的看到执行jstatd 所得到的信息。

图3: Visual GC 执行截图

HPJMeter

HPJMeter 可以很方便的分析 -verbosegc 输出的结果，如果Visual GC可以视作jstat的图形化版本，那么HPJMeter就相当于 –verbosgc的图形化版本。当然，GC分析只是HPJMeter提供的众多功能之一，HPJMeter是由惠普开发的性能监控工具，他可以支持HP-UX，Linux以及MS Windows。
起初，一个成为HPTune 被设计用来图形化的分析-verbosegc.输出的结果。但是，随着HPTune的功能被集成到HPJMeter 3.0版本之后，就没有必要单独下载HPTune了。但运行一个应用时， -verbosegc 的结果会被输出到一个独立的文件中。
你可以用HPJMeter直接打开这个文件，以便更直观的分析GC性能数据。

图4: HPJMeter

下次预告

本文我们主要讲述了如果监控GC操作信息，这将是GC优化的前提。就我个人经验而言，我推荐使用jstat 来监控GC操作，如果你感觉到GC操作的执行时间过长，那就可以使用verbosegc 参数来分析GC。GC优化的大体步骤就是在添加verbosegc 参数后，调整GC参数，分析修改后的结果。在下一篇文章中，我们将通过真实的例子来讲解优化GC的最佳选择。