Java virtuaalmasin: süvaülevaade prügikoristuse häälestamisest

Java võimsus peitub tema platvormisõltumatuses, mis saavutatakse Java virtuaalmasina (JVM) kaudu. JVM-i kriitiline aspekt on selle automaatne mäluhaldus, mida teostab peamiselt prügikoristaja (GC). GC mõistmine ja häälestamine on rakenduse optimaalse jõudluse tagamiseks ülioluline, eriti globaalsete rakenduste puhul, mis tegelevad mitmekesiste töökoormuste ja suurte andmehulkadega. See juhend annab põhjaliku ülevaate GC häälestamisest, hõlmates erinevaid prügikoristajaid, häälestusparameetreid ja praktilisi näiteid, mis aitavad teil oma Java rakendusi optimeerida.

Prügikoristuse mõistmine Javas

Prügikoristus on protsess, mille käigus vabastatakse automaatselt mälu, mida kasutavad objektid, mis pole programmis enam kasutusel. See hoiab ära mälulekked ja lihtsustab arendust, vabastades arendajad manuaalsest mäluhaldusest, mis on oluline eelis võrreldes keeltega nagu C ja C++. JVM-i GC tuvastab ja eemaldab need kasutamata objektid, tehes mälu kättesaadavaks tulevaste objektide loomiseks. Prügikoristaja valik ja selle häälestusparameetrid mõjutavad sügavalt rakenduse jõudlust, sealhulgas:

Rakenduse pausid: GC pausid, tuntud ka kui 'stop-the-world' sündmused, mille ajal rakenduse lõimed peatatakse, kui GC töötab. Sagedased või pikad pausid võivad oluliselt mõjutada kasutajakogemust.
Läbilaskevõime: Määr, millega rakendus suudab ülesandeid töödelda. GC võib tarbida osa protsessori ressurssidest, mida saaks kasutada tegeliku rakendustöö jaoks, mõjutades seeläbi läbilaskevõimet.
Mälu kasutus: Kui tõhusalt rakendus kasutab olemasolevat mälu. Valesti konfigureeritud GC võib põhjustada liigset mälukasutust ja isegi mälupuuduse vigu (out-of-memory errors).
Latentsus: Aeg, mis kulub rakendusel päringule vastamiseks. GC pausid aitavad otseselt kaasa latentsusele.

Erinevad prügikoristajad JVM-is

JVM pakub erinevaid prügikoristajaid, millest igaühel on oma tugevused ja nõrkused. Prügikoristaja valik sõltub rakenduse nõuetest ja töökoormuse omadustest. Uurime mõningaid silmapaistvamaid:

1. Serial prügikoristaja

Serial GC on ühelõimeline koristaja, mis sobib peamiselt ühetuumalistel masinatel töötavatele rakendustele või neile, millel on väga väike kuhjuala. See on kõige lihtsam koristaja ja teostab täielikke GC-tsükleid. Selle peamiseks puuduseks on pikad 'stop-the-world' pausid, mis muudavad selle sobimatuks madalat latentsust nõudvates tootmiskeskkondades.

2. Parallel prügikoristaja (läbilaskevõime kollektor)

Parallel GC, tuntud ka kui läbilaskevõime kollektor, eesmärk on maksimeerida rakenduse läbilaskevõimet. See kasutab mitut lõime väiksemate ja suuremate prügikoristuste tegemiseks, vähendades üksikute GC-tsüklite kestust. See on hea valik rakendustele, kus läbilaskevõime maksimeerimine on olulisem kui madal latentsus, näiteks pakktöötlustöödel.

3. CMS (Concurrent Mark Sweep) prügikoristaja (aegunud)

CMS oli loodud pauside aja vähendamiseks, teostades suurema osa prügikoristusest samaaegselt rakenduse lõimedega. See kasutas samaaegset märgistamise-pühkimise lähenemist. Kuigi CMS pakkus lühemaid pause kui Parallel GC, võis see kannatada killustumise all ja omas suuremat protsessori koormust. CMS on alates Java 9-st aegunud ja seda ei soovitata enam uute rakenduste jaoks. See on asendatud G1GC-ga.

4. G1GC (Garbage-First) prügikoristaja

G1GC on vaikimisi prügikoristaja alates Java 9-st ja on mõeldud nii suurte kuhjaalade kui ka lühikeste pauside jaoks. See jagab kuhja piirkondadeks ja eelistab koguda piirkondi, mis on kõige rohkem prügi täis, sellest ka nimi 'Garbage-First' (prügi ees). G1GC pakub head tasakaalu läbilaskevõime ja latentsuse vahel, muutes selle mitmekülgseks valikuks paljudele rakendustele. Selle eesmärk on hoida pauside ajad kindlaksmääratud sihtmärgi piires (nt 200 millisekundit).

5. ZGC (Z prügikoristaja)

ZGC on madala latentsusega prügikoristaja, mis võeti kasutusele Java 11-s (eksperimentaalne Java 11-s, tootmisvalmis alates Java 15-st). Selle eesmärk on minimeerida GC pauside aegu kuni 10 millisekundini, sõltumata kuhja suurusest. ZGC töötab samaaegselt, rakendus jookseb peaaegu katkematult. See sobib rakendustele, mis nõuavad ülimalt madalat latentsust, näiteks kõrgsageduslikud kauplemissüsteemid või online-mänguplatvormid. ZGC kasutab värvilisi viitasid (colored pointers) objektiviidete jälgimiseks.

6. Shenandoah prügikoristaja

Shenandoah on Red Hati arendatud madala pausidega prügikoristaja ja potentsiaalne alternatiiv ZGC-le. Ka selle eesmärk on saavutada väga lühikesed pausid, teostades samaaegset prügikoristust. Shenandoahi peamine eristaja on see, et see suudab kuhja samaaegselt tihendada, mis aitab vähendada killustumist. Shenandoah on tootmisvalmis OpenJDK ja Red Hati Java distributsioonides. See on tuntud oma lühikeste pauside ja läbilaskevõime omaduste poolest. Shenandoah töötab rakendusega täielikult samaaegselt, mille eeliseks on see, et rakenduse täitmist ei peatata ühelgi hetkel. Töö tehakse täiendava lõime kaudu.

Põhilised GC häälestusparameetrid

Prügikoristuse häälestamine hõlmab erinevate parameetrite kohandamist jõudluse optimeerimiseks. Siin on mõned kriitilised parameetrid, mis on selguse huvides kategoriseeritud:

1. Kuhja suuruse konfigureerimine

-Xms<suurus> (minimaalne kuhja suurus): Määrab kuhja algsuuruse. Üldiselt on hea tava seada see samale väärtusele kui -Xmx, et vältida JVM-i kuhja suuruse muutmist käitusajal.
-Xmx<suurus> (maksimaalne kuhja suurus): Määrab kuhja maksimaalse suuruse. See on kõige olulisem parameeter konfigureerimiseks. Õige väärtuse leidmine hõlmab katsetamist ja monitooringut. Suurem kuhi võib parandada läbilaskevõimet, kuid võib pikendada pauside aegu, kui GC peab rohkem tööd tegema.
-Xmn<suurus> (noore põlvkonna suurus): Määrab noore põlvkonna suuruse. Noor põlvkond on koht, kuhu uued objektid esialgu paigutatakse. Suurem noor põlvkond võib vähendada väiksemate GC-de sagedust. G1GC puhul hallatakse noore põlvkonna suurust automaatselt, kuid seda saab reguleerida parameetritega -XX:G1NewSizePercent ja -XX:G1MaxNewSizePercent.

2. Prügikoristaja valik

-XX:+UseSerialGC: Lubab Serial GC.
-XX:+UseParallelGC: Lubab Parallel GC (läbilaskevõime kollektor).
-XX:+UseG1GC: Lubab G1GC. See on vaikimisi Java 9 ja uuemate versioonide jaoks.
-XX:+UseZGC: Lubab ZGC.
-XX:+UseShenandoahGC: Lubab Shenandoah GC.

3. G1GC-spetsiifilised parameetrid

-XX:MaxGCPauseMillis=<ms>: Määrab G1GC jaoks sihtmärgiks oleva maksimaalse pausi aja millisekundites. GC üritab seda eesmärki täita, kuid see pole garantii.
-XX:G1HeapRegionSize=<size>: Määrab G1GC jaoks kuhjas olevate piirkondade suuruse. Piirkonna suuruse suurendamine võib potentsiaalselt vähendada GC üldkulusid.
-XX:G1NewSizePercent=<percent>: Määrab minimaalse protsendi kuhjast, mida kasutatakse G1GC noore põlvkonna jaoks.
-XX:G1MaxNewSizePercent=<percent>: Määrab maksimaalse protsendi kuhjast, mida kasutatakse G1GC noore põlvkonna jaoks.
-XX:G1ReservePercent=<percent>: Uute objektide eraldamiseks reserveeritud mälu hulk. Vaikimisi väärtus on 10%.
-XX:G1MixedGCCountTarget=<count>: Määrab segatüüpi prügikoristuste sihtarvu tsüklis.

4. ZGC-spetsiifilised parameetrid

-XX:ZUncommitDelay=<seconds>: Ajavahemik sekundites, mille jooksul ZGC ootab enne mälu vabastamist operatsioonisüsteemile.
-XX:ZAllocationSpikeFactor=<factor>: Eraldamiskiiruse hüppefaktor. Suurem väärtus tähendab, et GC-l on lubatud prügi kogumiseks agressiivsemalt töötada ja see võib tarbida rohkem protsessori tsükleid.

5. Muud olulised parameetrid

-XX:+PrintGCDetails: Lubab üksikasjaliku GC logimise, pakkudes väärtuslikku teavet GC tsüklite, pauside ja mälukasutuse kohta. See on GC käitumise analüüsimiseks ülioluline.
-XX:+PrintGCTimeStamps: Lisab ajatemplid GC logiväljundisse.
-XX:+UseStringDeduplication (Java 8u20 ja hilisem, G1GC): Vähendab mälukasutust, eemaldades kuhjas identsed stringid (deduplikeerimine).
-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses: Lubab või keelab selgesõnaliste GC-kutsete kasutamise praeguses JDK-s. See on kasulik jõudluse halvenemise vältimiseks tootmiskeskkonnas.
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError: Genereerib kuhjatõmmise (heap dump), kui ilmneb OutOfMemoryError, võimaldades mälukasutuse üksikasjalikku analüüsi ja mälulekete tuvastamist.
-XX:HeapDumpPath=<path>: Määrab asukoha, kuhu kuhjatõmmise fail tuleks kirjutada.

Praktilised GC häälestamise näited

Vaatame mõningaid praktilisi näiteid erinevate stsenaariumide jaoks. Pidage meeles, et need on lähtepunktid ning nõuavad katsetamist ja monitooringut vastavalt teie konkreetse rakenduse omadustele. Oluline on rakendusi monitoorida, et saada sobiv baastase. Samuti võivad tulemused erineda sõltuvalt riistvarast.

1. Pakktöötlusrakendus (fookus läbilaskevõimel)

Pakktöötlusrakenduste puhul on peamine eesmärk tavaliselt läbilaskevõime maksimeerimine. Madal latentsus pole nii kriitiline. Parallel GC on sageli hea valik.

java -Xms4g -Xmx4g -XX:+UseParallelGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mybatchapp.jar

Selles näites seadistame minimaalse ja maksimaalse kuhja suuruseks 4 GB, lubame Parallel GC ja üksikasjaliku GC logimise.

2. Veebirakendus (latentsustundlik)

Veebirakenduste puhul on hea kasutajakogemuse tagamiseks ülioluline madal latentsus. Sageli eelistatakse G1GC-d või ZGC-d (või Shenandoahi).

Kasutades G1GC-d:

java -Xms8g -Xmx8g -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mywebapp.jar

See konfiguratsioon seab minimaalse ja maksimaalse kuhja suuruseks 8 GB, lubab G1GC ja seab sihtmärgiks oleva maksimaalse pausi ajaks 200 millisekundit. Reguleerige MaxGCPauseMillis väärtust vastavalt oma jõudlusnõuetele.

Kasutades ZGC-d (nõuab Java 11+):

java -Xms8g -Xmx8g -XX:+UseZGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mywebapp.jar

See näide lubab ZGC sarnase kuhja konfiguratsiooniga. Kuna ZGC on loodud väga madala latentsuse jaoks, ei pea te tavaliselt pausi aja sihtmärki konfigureerima. Võite lisada parameetreid konkreetsete stsenaariumide jaoks; näiteks kui teil on probleeme eraldamiskiirusega, võiksite proovida -XX:ZAllocationSpikeFactor=2

3. Kõrgsageduslik kauplemissüsteem (ülimalt madal latentsus)

Kõrgsageduslike kauplemissüsteemide puhul on ülimalt madal latentsus esmatähtis. ZGC on ideaalne valik, eeldusel, et rakendus on sellega ühilduv. Kui kasutate Java 8 või teil on ühilduvusprobleeme, kaaluge Shenandoahi.

java -Xms16g -Xmx16g -XX:+UseZGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mytradingapp.jar

Sarnaselt veebirakenduse näitele seadistame kuhja suuruse ja lubame ZGC. Kaaluge ZGC spetsiifiliste parameetrite edasist häälestamist vastavalt töökoormusele.

4. Suurte andmehulkadega rakendused

Rakenduste puhul, mis tegelevad väga suurte andmehulkadega, on vajalik hoolikas kaalumine. Võib olla vajalik kasutada suuremat kuhja suurust ja monitooring muutub veelgi olulisemaks. Andmeid saab ka noore põlvkonna vahemällu salvestada, kui andmehulk on väike ja selle suurus on noore põlvkonna suuruse lähedal.

Kaaluge järgmisi punkte:

Objektide eraldamise määr: Kui teie rakendus loob suure hulga lühiajalisi objekte, võib noorest põlvkonnast piisata.
Objekti eluiga: Kui objektid kipuvad kauem elama, peate jälgima üleviimise määra noorest põlvkonnast vanasse põlvkonda.
Mälujälg: Kui rakendus on mälumahukas ja teil tekivad OutOfMemoryError erandid, võib probleemi lahendada objektide suuruse vähendamine või nende lühiajaliseks muutmine.

Suure andmehulga puhul on oluline noore ja vana põlvkonna suhe. Kaaluge järgmist näidet lühikeste pauside saavutamiseks:

java -Xms32g -Xmx32g -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:G1NewSizePercent=20 -XX:G1MaxNewSizePercent=30 -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -jar mydatasetapp.jar

See näide seab suurema kuhja (32 GB) ja peenhäälestab G1GC-d madalama sihtpausi ajaga ning kohandatud noore põlvkonna suurusega. Reguleerige parameetreid vastavalt.

Monitooring ja analüüs

GC häälestamine ei ole ühekordne pingutus; see on iteratiivne protsess, mis nõuab hoolikat monitooringut ja analüüsi. Siin on, kuidas monitooringule läheneda:

1. GC logimine

Lubage üksikasjalik GC logimine, kasutades parameetreid nagu -XX:+PrintGCDetails, -XX:+PrintGCTimeStamps ja -Xloggc:<failinimi>. Analüüsige logifaile, et mõista GC käitumist, sealhulgas pauside aegu, GC-tsüklite sagedust ja mälukasutuse mustreid. Kaaluge tööriistade nagu GCViewer või GCeasy kasutamist GC logide visualiseerimiseks ja analüüsimiseks.

2. Rakenduse jõudluse monitooringu (APM) tööriistad

Kasutage APM-tööriistu (nt Datadog, New Relic, AppDynamics) rakenduse jõudluse jälgimiseks, sealhulgas protsessori kasutus, mälukasutus, vastuseajad ja veamäärad. Need tööriistad aitavad tuvastada GC-ga seotud kitsaskohti ja annavad ülevaate rakenduse käitumisest. Turul olevad tööriistad nagu Prometheus ja Grafana on samuti kasutatavad reaalajas jõudlusnäitajate jälgimiseks.

3. Kuhjatõmmised (Heap Dumps)

Tehke kuhjatõmmiseid (kasutades -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError ja -XX:HeapDumpPath=<tee>), kui tekivad OutOfMemoryError'id. Analüüsige kuhjatõmmiseid tööriistadega nagu Eclipse MAT (Memory Analyzer Tool), et tuvastada mälulekkeid ja mõista objektide eraldamise mustreid. Kuhjatõmmised annavad hetktõmmise rakenduse mälukasutusest konkreetsel ajahetkel.

4. Profileerimine

Kasutage Java profileerimise tööriistu (nt JProfiler, YourKit), et tuvastada oma koodis jõudluse kitsaskohti. Need tööriistad võivad anda ülevaate objektide loomisest, meetodikutsetest ja protsessori kasutusest, mis võib kaudselt aidata teil GC-d häälestada, optimeerides rakenduse koodi.

GC häälestamise parimad praktikad

Alustage vaikeväärtustest: JVM-i vaikeväärtused on sageli hea lähtepunkt. Ärge häälestage ennatlikult üle.
Mõistke oma rakendust: Tundke oma rakenduse töökoormust, objektide eraldamise mustreid ja mälukasutuse omadusi.
Testige tootmiskeskkonnale sarnastes keskkondades: Testige GC konfiguratsioone keskkondades, mis sarnanevad tihedalt teie tootmiskeskkonnaga, et täpselt hinnata jõudluse mõju.
Jälgige pidevalt: Jälgige pidevalt GC käitumist ja rakenduse jõudlust. Vajadusel kohandage häälestusparameetreid vastavalt täheldatud tulemustele.
Isoleerige muutujad: Häälestamisel muutke korraga ainult ühte parameetrit, et mõista iga muudatuse mõju.
Vältige ennatlikku optimeerimist: Ärge optimeerige tajutud probleemi jaoks ilma kindlate andmete ja analüüsita.
Kaaluge koodi optimeerimist: Optimeerige oma koodi, et vähendada objektide loomist ja prügikoristuse üldkulusid. Näiteks taaskasutage objekte alati, kui see on võimalik.
Hoidke end kursis: Olge kursis GC-tehnoloogia uusimate edusammude ja JVM-i uuendustega. Uued JVM-i versioonid sisaldavad sageli prügikoristuse täiustusi.
Dokumenteerige oma häälestus: Dokumenteerige GC konfiguratsioon, oma valikute põhjendus ja jõudlustulemused. See aitab tulevase hoolduse ja tõrkeotsingu puhul.

Kokkuvõte

Prügikoristuse häälestamine on Java rakenduse jõudluse optimeerimise kriitiline aspekt. Mõistes erinevaid prügikoristajaid, häälestusparameetreid ja monitooringutehnikaid, saate oma rakendusi tõhusalt optimeerida, et need vastaksid konkreetsetele jõudlusnõuetele. Pidage meeles, et GC häälestamine on iteratiivne protsess ja nõuab pidevat jälgimist ja analüüsi optimaalsete tulemuste saavutamiseks. Alustage vaikeväärtustest, mõistke oma rakendust ja katsetage erinevate konfiguratsioonidega, et leida oma vajadustele sobivaim. Õige konfiguratsiooni ja monitooringuga saate tagada, et teie Java rakendused töötavad tõhusalt ja usaldusväärselt, olenemata teie globaalsest ulatusest.