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learn.lianglianglee.com/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/24 案例分析：大型项目如何进行性能瓶颈调优？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>24 案例分析：大型项目如何进行性能瓶颈调优？</h1>
<p>本课时我们主要分享一个实践案例，即大型项目如何进行性能瓶颈调优，这也是对前面所学的知识进行总结。</p>
<p>性能调优是一个比较大且比较模糊的话题。在大型项目中，既有分布式的交互式调优问题，也有纯粹的单机调优问题。由于我们的课程主要讲解 JVM 相关的知识点，重点关注 JVM 的调优、故障或者性能瓶颈方面的问题排查，所以对于分布式应用中的影响因素，这里不过多介绍。</p>
<h2>优化层次</h2>
<p>下面是我总结的一张关于优化层次的图，箭头表示优化时需考虑的路径，但也不总是这样。当一个系统出现问题的时候，研发一般不会想要立刻优化 JVM，或者优化操作系统，会尝试从最高层次上进行问题的解决：解决最主要的瓶颈点。</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl5956uAEXorAAA7ycYosaA257.png" alt="img" /></p>
<p><strong>数据库优化</strong>： 数据库是最容易成为瓶颈的组件，研发会从 SQL 优化或者数据库本身去提高它的性能。如果瓶颈依然存在，则会考虑分库分表将数据打散，如果这样也没能解决问题，则可能会选择缓存组件进行优化。这个过程与本课时相关的知识点，可以使用 jstack 获取阻塞的执行栈，进行辅助分析。</p>
<p><strong>集群最优</strong>：存储节点的问题解决后，计算节点也有可能发生问题。一个集群系统如果获得了水平扩容的能力，就会给下层的优化提供非常大的时间空间，这也是弹性扩容的魅力所在。我接触过一个服务，由最初的 3 个节点，扩容到最后的 200 多个节点，但由于人力问题，服务又没有什么新的需求，下层的优化就一直被搁置着。</p>
<p><strong>硬件升级</strong>：水平扩容不总是有效的，原因在于单节点的计算量比较集中，或者 JVM 对内存的使用超出了宿主机的承载范围。在动手进行代码优化之前，我们会对节点的硬件配置进行升级。升级容易，降级难，降级需要依赖代码和调优层面的优化。</p>
<p><strong>代码优化</strong>：出于成本的考虑，上面的这些问题，研发团队并不总是坐视不管。代码优化是提高性能最有效的方式，但需要收集一些数据，这个过程可能是服务治理，也有可能是代码流程优化。我在第 21 课时介绍的 JavaAgent 技术，会无侵入的收集一些 profile 信息，供我们进行决策。像 Sonar 这种质量监控工具，也可以在此过程中帮助到我们。</p>
<p><strong>并行优化</strong>：并行优化的对象是这样一种接口，它占用的资源不多，计算量也不大，就是速度太慢。所以我们通常使用 ContDownLatch 对需要获取的数据进行并行处理，效果非常不错，比如在 200ms 内返回对 50 个耗时 100ms 的下层接口的调用。</p>
<p><strong>JVM 优化</strong>：虽然对 JVM 进行优化，有时候会获得巨大的性能提升，但在 JVM 不发生问题时，我们一般不会想到它。原因就在于，相较于上面 5 层所达到的效果来说，它的优化效果有限。但在代码优化、并行优化、JVM 优化的过程中，JVM 的知识却起到了关键性的作用，是一些根本性的影响因素。</p>
<p><strong>操作系统优化</strong>：操作系统优化是解决问题的杀手锏，比如像 HugePage、Luma、“CPU 亲和性”这种比较底层的优化。但就计算节点来说，对操作系统进行优化并不是很常见。运维在背后会做一些诸如文件句柄的调整、网络参数的修改，这对于我们来说就已经够用了。</p>
<p>虽然本课程是针对比较底层的 JVM，但我还是想谈一下一个研发对技术体系的整体演进方向。</p>
<p>首先，掌握了比较底层、基础的东西后，在了解一些比较高层的设计时，就能花更少的时间，这方面的知识有：操作系统、网络、多线程、编译原理，以及一门感兴趣的开发语言。对 Java 体系来说，毫无疑问就是 Java 语言和 JVM。</p>
<p>其次，知识体系还要看实用性，比如你熟知编译原理，虽然 JIT 很容易入门，但如果不做相关的开发，这并没有什么实际作用。</p>
<p>最后，现代分布式系统在技术上总是一个权衡的结果（比如 CAP）。在分析一些知识点和面试题的时候，也要看一下哪些是权衡的结果，哪些务必是准确的。整体上达到次优，局部上达到最优，就是我们要追寻的结果。</p>
<p>代码优化、JVM 的调优，以及单机的故障排查，就是一种局部上的寻优过程，也是一个合格的程序员必须要掌握的技能。</p>
<h2>JVM 调优</h2>
<p>由于 JVM 一直处在变化之中，所以一些参数的配置并不总是有效的，有时候你加入一个参数，“感觉上”运行速度加快了，但通过</p>
<p>-XX:+PrintFlagsFinal 来查看，却发现这个参数默认就是这样，比如第 10 课时提到的 UseAdaptiveSizePolicy。所以，在不同的 JVM 版本上，不同的垃圾回收器上，要先看一下这个参数默认是什么，不要轻信他人的建议。</p>
<pre><code>java -XX:+PrintFlagsFinal -XX:+UseG1GC 2&gt;&amp;1 | grep UseAdaptiveSizePolicy
</code></pre>
<h3>内存区域大小</h3>
<p>首先要调整的，就是各个分区的大小，不过这也要分垃圾回收器，我们来看一些全局参数及含义。</p>
<ul>
<li><strong>-X<strong><strong>X</strong></strong>:+UseG1GC</strong>：用于指定 JVM 使用的垃圾回收器为 G1，尽量不要靠默认值去保证，要显式的指定一个。</li>
<li><strong>-Xmx</strong>：设置堆的最大值，一般为操作系统的 2/3 大小。</li>
<li><strong>-Xms</strong>：设置堆的初始值，一般设置成和 Xmx 一样的大小来避免动态扩容。</li>
<li><strong>-Xmn</strong>：表示年轻代的大小，默认新生代占堆大小的 1/3。高并发、对象快消亡场景可适当加大这个区域，对半，或者更多，都是可以的。但是在 G1 下，就不用再设置这个值了，它会自动调整。</li>
<li><strong>-XX:MaxMetaspaceSize</strong>：用于限制元空间的大小，一般 256M 足够了，这一般和初始大小 <strong>-XX:MetaspaceSize</strong> 设置成一样的。</li>
<li><strong>-XX:MaxDirectMemorySize</strong>：用于设置直接内存的最大值，限制通过 DirectByteBuffer 申请的内存。</li>
<li><strong>-XX:ReservedCodeCacheSize</strong>：用于设置 JIT 编译后的代码存放区大小，如果观察到这个值有限制，可以适当调大，一般够用即可。</li>
<li><strong>-Xss</strong>：用于设置栈的大小，默认为 1M，已经足够用了。</li>
</ul>
<h3>内存调优</h3>
<ul>
<li><strong>-XX:+AlwaysPreTouch</strong>：表示在启动时就把参数里指定的内存全部初始化，启动时间会慢一些，但运行速度会增加。</li>
<li><strong>-XX:SurvivorRatio</strong>：默认值为 8，表示伊甸区和幸存区的比例。</li>
<li><strong>-XX:MaxTenuringThreshold</strong>：这个值在 CMS 下默认为 6，G1 下默认为 15，这个值和我们前面提到的对象提升有关，改动效果会比较明显。对象的年龄分布可以使用 <strong>-XX:+PrintTenuringDistribution</strong> 打印，如果后面几代的大小总是差不多，证明过了某个年龄后的对象总能晋升到老生代，就可以把晋升阈值设小。</li>
<li><strong>PretenureSizeThreshold</strong>：表示超过一定大小的对象，将直接在老年代分配，不过这个参数用的不是很多。</li>
</ul>
<p>其他容量的相关参数可以参考其他课时，但不建议随便更改。</p>
<h3>垃圾回收器优化</h3>
<p>接下来看一下主要的垃圾回收器。</p>
<p><strong>CMS 垃圾回收器</strong></p>
<ul>
<li><strong>-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly</strong>：这个参数需要加上 **-**<strong>XX:CMSInitiatingOccupancyFraction</strong>，注意后者需要和前者一块配合才能完成工作，它们指定了 MajorGC 的发生时机。</li>
<li><strong>-XX:ExplicitGCInvokesConcurrent</strong>：当代码里显示调用了 System.gc()，实际上是想让回收器进行 FullGC，如果发生这种情况，则使用这个参数开始并行 FullGC，建议加上这个参数。</li>
<li><strong>-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction</strong>：这个参数的默认值为 0，代表每次 FullGC 都对老生代进行碎片整理压缩，建议保持默认。</li>
<li><strong>-XX:CMSScavengeBeforeRemark</strong>：表示开启或关闭在 CMS 重新标记阶段之前的清除（YGC）尝试，它可以降低 remark 时间，建议加上。</li>
<li><strong>-XX:+ParallelRefProcEnabled</strong>：可以用来并行处理 Reference，以加快处理速度，缩短耗时，具体用法见第 15 课时。</li>
</ul>
<p><strong>G1 垃圾回收器</strong></p>
<ul>
<li><strong>-XX:MaxGCPauseMillis</strong>：用于设置目标停顿时间，G1 会尽力达成。</li>
<li><strong>-XX:G1HeapRegionSize</strong>：用于设置小堆区大小，这个值为 2 的次幂，不要太大，也不要太小，如果实在不知道如何设置，建议保持默认。</li>
<li><strong>-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent</strong>：表示当整个堆内存使用达到一定比例（默认是 45%），并发标记阶段 就会被启动。</li>
<li><strong>-XX:ConcGCThreads</strong>：表示并发垃圾收集器使用的线程数量，默认值随 JVM 运行的平台不同而变动，不建议修改。</li>
</ul>
<h3>其他参数优化</h3>
<ul>
<li><strong>-XX:AutoBoxCacheMax</strong>：用于加大 IntegerCache，具体原因可参考第 20 课时。</li>
<li><strong>-Djava.security.egd=file:/dev/./urandom</strong>：这个参数使用 urandom 随机生成器，在进行随机数获取时，速度会更快。</li>
<li><strong>-XX:-OmitStackTraceInFastThrow</strong>：用于减少异常栈的输出，并进行合并。虽然会对调试有一定的困扰，但能在发生异常时显著增加性能。</li>
</ul>
<h3>存疑优化</h3>
<ul>
<li>**-XX:-UseBiasedLocking：**用于取消偏向锁（第 19 课时），理论上在高并发下会增加效率，这个需要实际进行观察，在无法判断的情况下，不需要配置。</li>
<li>**JIT 参数：**这是我们在第 22 课时多次提到的 JIT 编译参数，这部分最好不要乱改，会产生意想不到的问题。</li>
</ul>
<h3>GC 日志</h3>
<p>这部分我们在第 9 课时进行了详细的介绍，在此不再重复。</p>
<p>下面来看一个在 G1 垃圾回收器运行的 JVM 启动命令。</p>
<pre><code>java \
-XX:+UseG1GC \
-XX:MaxGCPauseMillis=100 \
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 \
-XX:G1HeapRegionSize=16m \
-XX:+ParallelRefProcEnabled \
-XX:MaxTenuringThreshold=3 \
-XX:+AlwaysPreTouch \
-Xmx5440M \
-Xms5440M \
-XX:MaxMetaspaceSize=256M \
-XX:MetaspaceSize=256M \
-XX:MaxDirectMemorySize=100M \
-XX:ReservedCodeCacheSize=268435456 \
-XX:-OmitStackTraceInFastThrow \
-Djava.security.egd=file:/dev/./urandom \
-verbose:gc \
-XX:+PrintGCDetails \
-XX:+PrintGCDateStamps \
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime \
-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime \
-XX:+PrintTenuringDistribution \
-XX:+PrintClassHistogramBeforeFullGC \
-XX:+PrintClassHistogramAfterFullGC \
-Xloggc:/tmp/logs/gc_%p.log \
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \
-XX:HeapDumpPath=/tmp/logs \
-XX:ErrorFile=/tmp/logs/hs_error_pid%p.log \
-Djava.rmi.server.hostname=127.0.0.1 \
-Dcom.sun.management.jmxremote \
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=14000 \
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false \
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false \
-javaagent:/opt/test.jar \
MainRun
</code></pre>
<h2>故障排查</h2>
<p>有需求才需要优化，不要为了优化而优化。一般来说，上面提到的这些 JVM 参数，基本能够保证我们的应用安全，如果想要更进一步、更专业的性能提升，就没有什么通用的法则了。</p>
<p>打印详细的 GCLog，能够帮助我们了解到底是在哪一步骤发生了问题，然后才能对症下药。使用 gceasy.io 这样的线上工具，能够方便的分析到结果，但一些偏门的 JVM 参数修改，还是需要进行详细的验证。</p>
<p>一次或者多次模拟性的压力测试是必要的，能够让我们提前发现这些优化点。</p>
<p>我们花了非常大的篇幅，来讲解 JVM 中故障排查的问题，这也是和我们工作中联系最紧密的话题。</p>
<p>JVM 故障会涉及到内存问题和计算问题，其中内存问题占多数。除了程序计数器，JVM 内存里划分每一个区域，都有溢出的可能，最常见的就是堆溢出。使用 jmap 可以 dump 一份内存，然后使用 MAT 工具进行具体原因的分析。</p>
<p>对堆外内存的排查需要较高的技术水平，我们在第 13 课时进行了详细的讲解。当你发现进程占用的内存资源比使用 Xmx 设置得要多，那么不要忘了这一环。</p>
<p>使用 jstack 可以获取 JVM 的执行栈，并且能够看到线程的一些阻塞状态，这部分可以使用 arthas 进行瞬时态的获取，定位到瞬时故障。另外，一个完善的监控系统能够帮我们快速定位问题，包括操作系统的监控、JVM 的监控等。</p>
<p>代码、JVM 优化和故障排查是一个持续优化的过程，只有更优、没有最优。如何在有限的项目时间内，最高效的完成工作，才是我们所需要的。</p>
<h2>小结</h2>
<p>本课时对前面的课程内容做了个简单的总结，从 7 个层面的优化出发，简要的谈了一下可能的优化过程，然后详细地介绍了一些常见的优化参数。</p>
<p>JVM 的优化效果是有限的，但它是理论的基础，代码优化和参数优化都需要它的指导。同时，有非常多的工具能够帮我们定位到问题。</p>
<p>偏门的优化参数可能有效，但不总是有效。实际上，从 CMS 到 G1，再到 ZGC，关于 GC 优化的配置参数也越来越少，但协助排查问题的工具却越来越多。在大多数场景下，JVM 已经能够达到开箱即用的高性能效果，这也是一个虚拟机所追求的最终目标。</p>
</div>
</div>
<div>
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