JVM 系统异常排查优化

迷南。 2022-09-07 12:19 209阅读 0赞

### 开篇小故事： ###

大话：有两套公寓楼，经济危机新公寓住满加房租导致小姑娘开车搬家，要么
    1.老年公寓剩余住户《小姑娘公寓总住户空间，没上保险
    2.老年公寓剩余住户《小姑娘住户 平均每次危机搬入老年公寓数
    3.小姑娘搬家时发现 要搬老年公寓的小姑娘人数》老年公寓剩余数
    4.直接限制了老年公寓小姑娘人数到达一定空间百分比时
    都全部经济泡沫老年公寓宿管进行FullGC
    
    然而：老年人的一次GC，啧啧 要不得，时间魔术：stop the world时间长
    
    论：如何阻止老年公寓因小姑娘太多导致 老年人发疯STW
    1.在经济危机小姑娘住户来来走走时 尽量都在新公寓，减少小姑娘频繁进入老年公寓引起后续恐怖效果；
    2.增加新公寓的占地面积；
    3.选择老年公寓适当的管理员GC

### 什么时间会触发GC呢？ ###

JVM分为新生代（Eden/s0/s1）/老年代

1.新生代满了时或无法创建新对象时触发 老年代空间担保机制，来看是直接MinorGC或FullGC

①、是老年代可用内存小于新生代全部对象的大小，如果没开启空间担保参数，会直接触发Full GC，所以一般空间担保参数都会打开；注：jDK1.8之后已经取消了-XX:-HandlePromotionFailure 机制

②、是老年代可用内存小于历次新生代GC后进入老年代的平均对象大小，此时会提前Full GC；

③、是新生代Minor GC后的存活对象大于Survivor，那么就会进入老年代，此时老年代内存不足。

上述情况都会导致老年代Full GC。

④、就是“-XX:CMSInitiatingOccupancyFaction”参数，配置占空间比

2.MinorGC，采用复制算法将Eden+s0/s1无法回收的对象复制到s1/s0，清空Eden+s1/s0

3.垃圾年龄默认15岁后进入老年代

4.大对象进入老年代，可在JVM参数里配置具体大小

### 1.算法 ###

根可达性算法：

该算法的基本思路：通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为“引用链”（Reference Chain），如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连（也称为不可达），则证明此对象是不可能再被使用的对象，就可以被垃圾回收器回收；
    1、在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等所引用的对象； 
    2、方法区/元空间中的类静态属性引用的对象；
    3、方法区/元空间中的常量引用的对象；
    4、在本地方法栈中JNI（即通常所说的Native方法）引用的对象； 
    5、Java虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（比如NullPointExcepiton、OutOfMemoryError）等，还有系统类加载器； 
    6、所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象；
    7、反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等； 
    8、其他可能临时性加入的对象；

标记清除算法：

>     标记-清除算法是最基础的收集算法，后续的很多垃圾回收算法是基于该算法而发展出来的，它分为‘ 标记 ’和‘ 清除 ’两个阶段；
>     1、标记
>     标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象，也可以反过来，标记出所有存活的对象，在标记完成后，统一回收所有未被标记的对象，标记过程就是对象是否属于垃圾的判定过程，基于可达性分析算法判断对象是否可以回收；
>     2、清除
>     标记后，对所有被标记的对象进行回收；
>     
>     优点：基于最基础的可达性分析算法，实现简单，后续的收集算法都是基于这种思想实现的；
>     缺点：
>     1、执行效率不稳定，如果Java堆中包含大量对象，而且其中大部分是需要被回收的，这时必须进行大量标记和清除的动作，导致标记和清除两个过程的执行效率都随对象数量增长而降低；
>     2、内存空间的碎片化问题，标记、清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致当以后在程序运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集；

标记整理算法：、

标记-整理算法是根据老年代的特点而产生的；
    1、标记
    标记过程与上面的标记-清理算法一致，也是基于可达性分析算法进行标记；
    2、整理
    和标记-清理不同的是，该算法不是针对可回收对象进行清理，而是根据存活对象进行整理，让存活对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存；
    而标记-清除算法不移动存活对象，导致有大量不连续空间，即内存碎片，而老年代这种每次回收都有大量存活对象的区域，移动存活对象并更新所有引用这些对象的引用，这是一种比较耗时的操作，而且这种对象移动操作必须全程暂停用户应用程序才能进行，像这样的停顿我们也称为“Stop The World”即STW；
    但是即便是移动存活对象是耗时的操作，但是如果不这么做，那么在充满内存碎片的空间中分配对象，又影响了对象的分配和访问的效率，所以JVM权衡两者之后，还是采用了移动存活对象的方式，也就是对内存进行了整理；
    另外像cms垃圾收集器，平时多数时间都采用标记-清除算法，暂时容忍内存碎片的存在，直到内存空间的碎片化程度已经大到影响对象分配时，再采用标记-整理算法收集一次，以获得规整的内存空间，所以像基于标记-清除算法的CMS收集器面临空间碎片过多时就会进行一次整理； 
    
    优点：
    1、不会像复制算法那样划分两个区域，提高了空间利用率；
    2、不会产生不连续的内存碎片；
    缺点：效率问题，除了像标记-清除算法的标记过程外，还多了一步整理过程，效率变低；

标记复制算法：

复制算法是标记-复制算法的简称，将可用内存按容量分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另外一块内存上，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉；
    
    优点：实现简单，效率高，解决了标记-清除算法导致的内存碎片问题；
    缺点：
    1、代价太大，将可分配内存缩小了一半，空间浪费太多了；
    2、对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会降低；
    一般虚拟机都会采用该算法来回收新生代，但是JVM对复制算法进行了改进，JVM并没有按照1:1的比例来划分新生代的内存空间，因为通过大量的统计和研究表明，90%以上的对象都是朝生夕死的，所以JVM把新生代分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次分配内存只使用Eden和其中一块Survivor，发生垃圾收集时，将Eden和Survivor中仍然存活的对象一次性复制到另外一块Survivor空间上，然后直接清理掉Eden和已用过的那块Survivor空间，HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8:1，也即每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（Eden的80%加上一个Survivor的10%），只有另外一个Survivor空间即10%的新生代会被“浪费”；
    当然，90%的对象可被回收仅仅是大部分情况下，我们无法百分百保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，因此JVM还有一个空间担保机制的安全设计，当Survivor空间不足以容纳一次Minor GC之后存活的对象时，就需要依赖其它内存区域（实际上就是老年代）进行空间分配担保（Handle Promotion，也就是冒险Minor GC一下）；

### 2.排查cpu过高异常 ###

1.集群部署，某个节点连接数异常非常高，先从线上摘下来，后续观察步骤：
    ]$ top
    Shift+M#对内存进行排序
    jmap -histo pid#观察java里占内存比较大的对象
    jmap -histo 19258 > jvm.txt#可以导出jvm下存活的堆内存信息 因为展示不开输出到文件里
    sz jvm.txt#下载文件
    jmap -heap pid#查看堆的信息
    从线上摘下来节点后可以执行#jmap -dump:format=b,file=heap.hprof pid #堆的转存文件导出，占用线程资源，线上谨慎操作
    
    jstack -l pid >> stack_info.txt，将此进程的堆栈信息导出到txt文件中
    
    
    2.线上Java项目CPU飙到100%怎么排查？
    top
    top -H -p pid
    printf ‘%x’ tid    8ef
    jstack pid
    
    top/htop#cpu内存使用情况
    map top#top命令的帮助q退出
    -p#输出某个进程的信息
    -H#输出线程信息
    top -H -p pid#输出某个进程对应线程的信息，直观看出tomcat里哪个进行占用CPU过高对应线程的信息
    printf ‘%x’ tid#top -H -p pid找到的cpu高的进程id转化为16进制
    jstack pid#追踪进程信息（未转化16进制top查询到的jstack 22703 > 22703test.txt输出保存到临时文件）>> 是追加内容, > 是覆盖原有内容 
    在22703test.txt里搜索进程号16进制
    
    
    3.系统异常连不上linux了
    
    JVM的启动参数中加入如下的一些参数：、
    -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
    -XX:HeapDumpPath=/usr/local/oom
    系统发生oom时系统自动导出堆快照，第一个参数意思是在OOM的时候自动dump内存快照出来，第二个参数是说把内存快照存放在哪里
    注：导出的文件很大，一般本地跑的小项目3G多，线上生产的十几G或几十G
    
    
    4.可用工具对生成文件进行分析，来判断哪些代码有问题，哪个占用
    jvisualVM：JDK自带bin下jvisualVM
    MAT：是Memory Analyzer tool的缩写,是一种快速,功能丰富的Java堆 分析 工具,能帮助你查找内存泄漏和减少内存消耗
    等

### 3.优化JVM本质是减少GC次数 ###

1、尽可能让对象在新生代里分配和回收，避免对象频繁进入老年代导致老年代频繁垃圾回收；
    2、给系统充足的内存空间，避免新生代频繁的垃圾回收；
    3、指定合适的垃圾收集器；
    
    -Xms3072M堆大小
    -Xmx3072M堆最大大小
    -Xmn2048M新生代大小
    -Xss1M 栈内存大小 设置单个线程栈大小，一般默认512~1024kb。 单个线程栈大小跟操作系统和JDK版本都有关系
    -XX:MetaspaceSize=512M元空间大小
    -XX:MaxMetaspaceSize=512M元空间最大大小
    -XX:SurvivorRatio=8 Eden与Survivor区的比例
    -XX:MaxTenuringThreshold=6 新生代晋升老年代的一个阈值
    -XX:PretenureSizeThreshold=1M 晋升老年代对象大小
    -XX:+UseParNewGC指定yongGC
    -XX:+UseConcMarkSweepGC指定oldGC 
    -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75老年代FullGC的内存占比
    -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数（默认是开启的），用于在CMS收集器进行Full GC时开启内存碎片的整理过程，由于这个内存整理必须移动存活对象，整理过程是无法并发的，就导致停顿时间变长，因此虚拟机设计者们还提供了另外一个参数
    -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0 CMS收集器在执行过若干次（数量由参数值决定）不整理空间的Full GC之后，下一次进入Full GC前会先进行碎片整理（默认值为0，表示每次进入Full GC时都进行碎片整理）