JVM 之 ParNew 和 CMS 日志分析

在两年前的文章 JVM 学习——垃圾收集器与内存分配策略 中,已经对 GC 算法的原理以及常用的垃圾收集器做了相应的总结。今天这篇文章主要是对生产环境中(Java7)常用的两种垃圾收集器(ParNew:年轻代,CMS:老年代)从日志信息上进行分析,做一下总结,这样当我们在排查相应的问题时,看到 GC 的日志信息,不会再那么陌生,能清楚地知道这些日志是什么意思,GC 线程当前处在哪个阶段,正在做什么事情等。

ParNew 收集器

ParNew 收集器是年轻代常用的垃圾收集器,它采用的是复制算法,youngGC 时一个典型的日志信息如下所示:

2018-04-12T13:48:26.134+0800: 15578.050: [GC2018-04-12T13:48:26.135+0800: 15578.050: [ParNew: 3412467K->59681K(3774912K), 0.0971990 secs] 9702786K->6354533K(24746432K), 0.0974940 secs] [Times: user=0.95 sys=0.00, real=0.09 secs]

依次分析一下上面日志信息的含义:

2018-04-12T13:48:26.134+0800
15578.050
ParNew
3412467K->59681K
3774912K
0.0971990 secs
9702786K->6354533K
24746432K
0.0974940 secs

对于 [Times: user=0.95 sys=0.00, real=0.09 secs] ,这里面涉及到三种时间类型,含义如下:

  • user:GC 线程在垃圾收集期间所使用的 CPU 总时间;
  • sys:系统调用或者等待系统事件花费的时间;
  • real:应用被暂停的时钟时间,由于 GC 线程是多线程的,导致了 real 小于 (user+real),如果是 gc 线程是单线程的话,real 是接近于 (user+real) 时间。

CMS 收集器

CMS 收集器是老年代经常使用的收集器,它采用的是标记-清楚算法,应用程序在发生一次 Full GC 时,典型的 GC 日志信息如下:

2018-04-12T13:48:26.233+0800: 15578.148: [GC [1 CMS-initial-mark: 6294851K(20971520K)] 6354687K(24746432K), 0.0466580 secs] [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs]
2018-04-12T13:48:26.280+0800: 15578.195: [CMS-concurrent-mark-start]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.333: [CMS-concurrent-mark: 0.138/0.138 secs] [Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.334: [CMS-concurrent-preclean-start]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-preclean: 0.056/0.057 secs] [Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
2018-04-12T13:48:29.989+0800: 15581.905: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 3.506/3.514 secs] [Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]
2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC[YG occupancy: 1805641 K (3774912 K)]2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [ParNew: 1805641K->48395K(3774912K), 0.0826620 secs] 8100493K->6348225K(24746432K), 0.0829480 secs] [Times: user=0.81 sys=0.00, real=0.09 secs]2018-04-12T13:48:30.074+0800: 15581.989: [Rescan (parallel) , 0.0429390 secs]2018-04-12T13:48:30.117+0800: 15582.032: [weak refs processing, 0.0027800 secs]2018-04-12T13:48:30.119+0800: 15582.035: [class unloading, 0.0033120 secs]2018-04-12T13:48:30.123+0800: 15582.038: [scrub symbol table, 0.0016780 secs]2018-04-12T13:48:30.124+0800: 15582.040: [scrub string table, 0.0004780 secs] [1 CMS-remark: 6299829K(20971520K)] 6348225K(24746432K), 0.1365130 secs] [Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs]
2018-04-12T13:48:30.128+0800: 15582.043: [CMS-concurrent-sweep-start]
2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.553: [GC2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.554: [ParNew: 3403915K->52142K(3774912K), 0.0874610 secs] 4836483K->1489601K(24746432K), 0.0877490 secs] [Times: user=0.84 sys=0.00, real=0.09 secs]
2018-04-12T13:48:38.412+0800: 15590.327: [CMS-concurrent-sweep: 8.193/8.284 secs] [Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]
2018-04-12T13:48:38.419+0800: 15590.334: [CMS-concurrent-reset-start]
2018-04-12T13:48:38.462+0800: 15590.377: [CMS-concurrent-reset: 0.044/0.044 secs] [Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs]

CMS Full GC 拆分开来,涉及的阶段比较多,下面分别来介绍各个阶段的情况。

阶段1:Initial Mark

这个是 CMS 两次 stop-the-wolrd 事件的其中一次,这个阶段的目标是:标记那些直接被 GC root 引用或者被年轻代存活对象所引用的所有对象,标记后示例如下所示(插图来自: GC Algorithms:Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC ):

JVM 之 ParNew 和 CMS 日志分析

上述例子对应的日志信息为:

2018-04-12T13:48:26.233+0800: 15578.148: [GC [1 CMS-initial-mark: 6294851K(20971520K)] 6354687K(24746432K), 0.0466580 secs] [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs]

逐行介绍上面日志的含义:

2018-04-12T13:48:26.233+0800: 15578.148
CMS-initial-mark
6294851K
(20971520K)
6354687K
(24746432K)
0.0466580 secs
[Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs]

阶段2:并发标记

在这个阶段 Garbage Collector 会遍历老年代,然后标记所有存活的对象,它会根据上个阶段找到的 GC Roots 遍历查找。并发标记阶段,它会与用户的应用程序并发运行。并不是老年代所有的存活对象都会被标记,因为在标记期间用户的程序可能会改变一些引用,如下图所示(插图来自: GC Algorithms:Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC ):

JVM 之 ParNew 和 CMS 日志分析

在上面的图中,与阶段1的图进行对比,就会发现有一个对象的引用已经发生了变化,这个阶段相应的日志信息如下:

2018-04-12T13:48:26.280+0800: 15578.195: [CMS-concurrent-mark-start]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.333: [CMS-concurrent-mark: 0.138/0.138 secs] [Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]

这里详细对上面的日志解释,如下所示:

CMS-concurrent-mark
0.138/0.138 secs
[Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]

阶段3:Concurrent Preclean

Concurrent Preclean:这也是一个并发阶段,与应用的线程并发运行,并不会 stop 应用的线程。在并发运行的过程中,一些对象的引用可能会发生变化,但是这种情况发生时,JVM 会将包含这个对象的区域(Card)标记为 Dirty,这也就是 Card Marking。如下图所示(插图来自: GC Algorithms:Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC :

JVM 之 ParNew 和 CMS 日志分析

在pre-clean阶段,那些能够从 Dirty 对象到达的对象也会被标记,这个标记做完之后,dirty card 标记就会被清除了,如下(插图来自: GC Algorithms:Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC :

JVM 之 ParNew 和 CMS 日志分析

这个阶段相应的日志信息如下:

2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.334: [CMS-concurrent-preclean-start]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-preclean: 0.056/0.057 secs] [Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]

其含义为:

CMS-concurrent-preclean
0.056/0.057 secs
[Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]

阶段4:Concurrent Abortable Preclean

这也是一个并发阶段,但是同样不会影响影响用户的应用线程,这个阶段是为了尽量承担 STW(stop-the-world)中最终标记阶段的工作。这个阶段持续时间依赖于很多的因素,由于这个阶段是在重复做很多相同的工作,直接满足一些条件(比如:重复迭代的次数、完成的工作量或者时钟时间等)。这个阶段的日志信息如下:

2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
2018-04-12T13:48:29.989+0800: 15581.905: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 3.506/3.514 secs] [Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]
CMS-concurrent-abortable-preclean
3.506/3.514 secs
[Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]

阶段5:Final Remark

这是第二个 STW 阶段,也是 CMS 中的最后一个,这个阶段的目标是标记所有老年代所有的存活对象,由于之前的阶段是并发执行的,gc 线程可能跟不上应用程序的变化,为了完成标记老年代所有存活对象的目标,STW 就非常有必要了。

通常 CMS 的 Final Remark 阶段会在年轻代尽可能干净的时候运行,目的是为了减少连续 STW 发生的可能性(年轻代存活对象过多的话,也会导致老年代涉及的存活对象会很多)。这个阶段会比前面的几个阶段更复杂一些,相关日志如下:

2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC[YG occupancy: 1805641 K (3774912 K)]2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [ParNew: 1805641K->48395K(3774912K), 0.0826620 secs] 8100493K->6348225K(24746432K), 0.0829480 secs] [Times: user=0.81 sys=0.00, real=0.09 secs]2018-04-12T13:48:30.074+0800: 15581.989: [Rescan (parallel) , 0.0429390 secs]2018-04-12T13:48:30.117+0800: 15582.032: [weak refs processing, 0.0027800 secs]2018-04-12T13:48:30.119+0800: 15582.035: [class unloading, 0.0033120 secs]2018-04-12T13:48:30.123+0800: 15582.038: [scrub symbol table, 0.0016780 secs]2018-04-12T13:48:30.124+0800: 15582.040: [scrub string table, 0.0004780 secs] [1 CMS-remark: 6299829K(20971520K)] 6348225K(24746432K), 0.1365130 secs] [Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs]

对上面的日志进行分析:

YG occupancy: 1805641 K (3774912 K)
ParNew:...
[Rescan (parallel) , 0.0429390 secs]
[weak refs processing, 0.0027800 secs]
[class unloading, 0.0033120 secs]
[scrub symbol table, 0.0016780 secs] ... [scrub string table, 0.0004780 secs]
6299829K(20971520K)
6348225K(24746432K)
0.1365130 secs
[Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs]

经历过这五个阶段之后,老年代所有存活的对象都被标记过了,现在可以通过清除算法去清理那些老年代不再使用的对象。

阶段6:Concurrent Sweep

这里不需要 STW,它是与用户的应用程序并发运行,这个阶段是:清除那些不再使用的对象,回收它们的占用空间为将来使用。如下图所示(插图来自: GC Algorithms:Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC :

):

JVM 之 ParNew 和 CMS 日志分析

这个阶段对应的日志信息如下(这中间又发生了一次 Young GC):

2018-04-12T13:48:30.128+0800: 15582.043: [CMS-concurrent-sweep-start]
2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.553: [GC2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.554: [ParNew: 3403915K->52142K(3774912K), 0.0874610 secs] 4836483K->1489601K(24746432K), 0.0877490 secs] [Times: user=0.84 sys=0.00, real=0.09 secs]
2018-04-12T13:48:38.412+0800: 15590.327: [CMS-concurrent-sweep: 8.193/8.284 secs] [Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]

分别介绍一下:

CMS-concurrent-sweep
8.193/8.284 secs
[Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]

阶段7:Concurrent Reset.

这个阶段也是并发执行的,它会重设 CMS 内部的数据结构,为下次的 GC 做准备,对应的日志信息如下:

2018-04-12T13:48:38.419+0800: 15590.334: [CMS-concurrent-reset-start]
2018-04-12T13:48:38.462+0800: 15590.377: [CMS-concurrent-reset: 0.044/0.044 secs] [Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs]

日志详情分别如下:

CMS-concurrent-reset
0.044/0.044 secs
[Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs]

总结

CMS 通过将大量工作分散到并发处理阶段来在减少 STW 时间,在这块做得非常优秀,但是 CMS 也有一些其他的问题:

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

CMS 的一些缺陷也是 G1 收集器兴起的原因。

参考:

  • JVM各类GC日志剖析 ;
  • GC之详解CMS收集过程和日志分析 ;
  • Getting Started with the G1 Garbage Collector ;
  • JVM实用参数(七)CMS收集器 ;
  • GC Algorithms:Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC ;

原文 

http://matt33.com/2018/07/28/jvm-cms/

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