java ZGC 使用与调优

发表于 2022-03-17 更新于 2023-01-30 分类于 java

文章内容以翻译¹²为主。主要涉及如何使用和参数调优，不涉及原理³

ZGC 全名 The Z Garbage Collector¹, 是一个可伸缩的超低延迟垃圾回收器，主要目标是：

亚毫秒 级的最大暂停时间
暂停时间，不管堆、存活对象集、根对象集的大小怎么变化，都 不增长
支持的堆大小： 8MB - 16TB

ZGC 最开始作为实验特性出现在 JDK 11 中, 在 JDK 15 时达到生产可用水平。
简而言之, ZGC :

并行的
基于分区的
Compacting³
NUMA 感知
colored pointers³
load barriers³

ZGC的核心是一个并发垃圾收集器，垃圾收集时，其它业务线程会继续执行，所以能极大地减小垃圾收集对应用程序响应时间的影响。

支持的平台

Platform	Supported	Since	Comment
Linux/x64	✓	JDK 15 (实验特性 JDK11)
Linux/AArch64	✓	JDK 15 (实验特性 JDK 13)
Linux/PPC	✓	JDK 17
macOS/x64	✓	JDK 15 (实验特性 JDK 14)
macOS/AArch64	✓	JDK 17
Windows/x64	✓	JDK 15 (实验特性 JDK 14)	Windows 1803 (Windows 10 或 Windows Server 2019) 以上.
Windows/AArch64	✓	JDK 16

快速使用

添加如下 java 选项即可启用ZGC：

1	-XX:+UseZGC -Xmx<size> -Xlog:gc

如果需要更多gc的详细日志：

1	-XX:+UseZGC -Xmx<size> -Xlog:gc*

配置和调优

可用选项概览

ZGC 可以使用的 JVM 选项 :

通用 GC 选项	ZGC 选项	ZGC 诊断选项 (-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions)
-XX:MinHeapSize, -Xms -XX:InitialHeapSize, -Xms -XX:MaxHeapSize, -Xmx -XX:SoftMaxHeapSize -XX:ConcGCThreads -XX:ParallelGCThreads -XX:UseDynamicNumberOfGCThreads -XX:UseLargePages -XX:UseTransparentHugePages -XX:UseNUMA -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB -XX:AllocateHeapAt	-XX:ZAllocationSpikeTolerance -XX:ZCollectionInterval -XX:ZFragmentationLimit -XX:ZMarkStackSpaceLimit -XX:ZProactive -XX:ZUncommit -XX:ZUncommitDelay	-XX:ZStatisticsInterval -XX:ZVerifyForwarding -XX:ZVerifyMarking -XX:ZVerifyObjects -XX:ZVerifyRoots -XX:ZVerifyViews

启用 ZGC

使用 -XX:+UseZGC 选项启用 ZGC.

设置堆空间大小

最大堆内存 (-Xmx<size>)，对ZGC来说是最重要的调优选项。设置合理的堆内存大小，保证有足够的空间存放存活的对象（live-set）以及 GC运行时还有足够的空间拿分配。堆空间分配多大，取决于应用的内存分配频率和存活对象大小。通常来说，给ZGC的内存越大越好，但是浪费内存也不太好。所以最好根据内存使用情况和GC频率来调整。

设置GC并发线程数

第二个值得关注的选项是GC并发线程数（ -XX:ConcGCThreads=<number>）。ZGC会启发式的自动选择线程数，多数情况下自动选择线程数就可以了，但是有时候根据应用的特点，可能需要调整。这个选项，本质上是指定了GC占用的CPU时间，设置过大就会占用应用的CPU时间；如果太小，应用产生垃圾对象的速度又会超过GC速度。

注意! 如果系统对响应时间要求高，那最好不要过度压榨机器， cpu使用率最好不要超过70%。

返还未使用内存给操作系统

默认情况下，ZGC 会返还未使用的内存给操作系统。这个特性对于那些关注内存占用大小的应用和环境比较有用。通过-XX:-ZUncommit 可禁用些特性。当然，返还操作不会让堆内存小于设置的最小堆大小（-Xms）。所以如果-Xms和-Xmx 一样的话，这个特性也就不起作用了。

返还延迟使用-XX:ZUncommitDelay=<seconds> 设置，默认是300秒。此选项指定内存多久未被使用后，会返还给操作系统。

注意! Linux上, 返还内存需要 fallocate(2) 加 FALLOC_FL_PUNCH_HOLE支持, 需要内核版本 3.5 ( tmpfs) 、 4.3 ( hugetlbfs)以上.

Linux 上启用大内存页

一般配置ZGC使用大内存页，会获得更好的性能（在吞吐量、延迟、启动时间方面），而且几乎没有缺点，只是设置起来稍微有点复杂。而且安装过程需要root权限，所以没有默认启用。

Linux/x86上, 大内存页的大小是2MB.

假设Java堆内存为 16G .那就需要 16G / 2M = 8192 个大内存页.

首先，分配至少16G（8192页）内存给大内存页池。分配的大页池一定要大于堆内存，因为除了堆内存，JVM的其它部分也要使用大页来处理各种内存数据结构（code heap，marking bitmaps 等）。示例中将分配9216页（18G），可以允许java2G的非堆内存使用大页。

配置操作系统大页池为需要的数量 (需要root权限):

1	$ echo 9216 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages

注意：光上面这个命令不能保证配置成功，因为内核可能没有足够的空余大页。同时，系统可能也需要花一些时间来处理。在继续后面的步骤之前，先检查分配给大页池的数量，以确保设置成功并已完成。

1 2	$ cat /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages 9216

注意： 如果Linux kernel >= 4.14 可跳过下面这个步骤（挂载一个hugetlbfs文件系统）。对于之间的内核版本， ZGC需要通过hugetlbfs文件系统，来访问大内存页。

挂载hugetlbfs文件系统 (需要root权限) ，并让运行JVM的用户可以访问它。 (例子中，假设用户的uid是123).

1 2	$ mkdir /hugepages $ mount -t hugetlbfs -o uid=123 nodev /hugepages

添加 -XX:+UseLargePages 选项，启动 JVM

1	$ java -XX:+UseZGC -Xms16G -Xmx16G -XX:+UseLargePages

如果有多个可访问的hugetlbfs文件系统，需要用-XX:AllocateHeapAt选项来指定路径，假设我们想用的hugetlbfs文件系统挂载路径是/hugepages：

1	$ java -XX:+UseZGC -Xms16G -Xmx16G -XX:+UseLargePages -XX:AllocateHeapAt=/hugepages

注意! 大页池的配置和hugetlbfs文件系统的挂载不是持久的，重启失效。如何持久化配置，可能需要自行搜索一下。

Linux 上透明启用大内存页 – 不建议使用

相对于使用显式大页(如上所述)的另一种选择是透明使用大页。对于延迟敏感的应用程序，通常不建议透明使用
大页，因为这会导致不必要的延迟峰值。然而，它可能值得尝试一下，看看它是否/如何影响您的工作负载。
但要注意，你的过程可能会有所不同。

启用NUMA⁴支持

NUMA 非统一内存访问架构（英语：Non-uniform memory access，简称NUMA）是一种为多处理器的电脑设计的内存架构，内存访问时间取决于内存相对于处理器的位置。ZGC支持NUMA，并默认开启此特性。.但是，如果JVM检测到它只使用单个NUMA节点上的内存，它将自动被禁用。一般不需要关心此设置, 如果想显示的指定，可以通过 -XX:+UseNUMA 或 -XX:-UseNUMA 选项来开启或者关闭（同一个选项的+、- 分别表示开启、关闭）。

当运行在NUMA机器上时(例如一个多插槽x86机器)，启用NUMA支持通常会带来显著的性能提升。

启用GC日志

GC 日志使用如下选项开启：

1	-Xlog:<tag set>,[<tag set>, ...]:<log file>

有关此选项的信息和帮助:

1	-Xlog:help

启用基本日志(每个GC输出一行)：

1	-Xlog:gc:gc.log

启用对调优/性能分析有用的GC日志:

1	-Xlog:gc*:gc.log

其中gc*表示日志打印包含gc的所有标记组合，:gc.log 表示将日志写入名为’ gc.log ‘的文件。

参考资料

1.OpenJDK 官方 wiki https://wiki.openjdk.java.net/display/zgc/Main ↩
2.Oracle官方javase 文档GC调优指南 Oracle: HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide ↩
3.F叔的学习笔记 ZGC 笔记：Colored Pointers ↩
4.NUMA Wiki https://zh.wikipedia.org/zh-hans/非均匀访存模型 ↩