Java Virtual Machine: Syväsukellus roskienkeruun viritykseen

Javan voima piilee sen alustariippumattomuudessa, joka saavutetaan Java Virtual Machinen (JVM) avulla. JVM:n kriittinen osa on sen automaattinen muistinhallinta, josta vastaa pääasiassa roskienkerääjä (GC). Roskienkerääjän ymmärtäminen ja virittäminen on olennaista optimaalisen sovelluksen suorituskyvyn kannalta, erityisesti globaaleissa sovelluksissa, jotka käsittelevät erilaisia työkuormia ja suuria tietomääriä. Tämä opas tarjoaa kattavan yleiskatsauksen roskienkeruun viritykseen, kattaen erilaiset roskienkerääjät, viritysparametrit ja käytännön esimerkit Java-sovellustesi optimoimiseksi.

Roskienkeruun ymmärtäminen Javassa

Roskienkeruu on prosessi, jossa ohjelman käyttämättömäksi jääneiden olioiden varaama muisti vapautetaan automaattisesti. Tämä estää muistivuodot ja yksinkertaistaa kehitystä vapauttamalla kehittäjät manuaalisesta muistinhallinnasta, mikä on merkittävä etu verrattuna C- ja C++-tyylisiin kieliin. JVM:n GC tunnistaa ja poistaa nämä käyttämättömät oliot, tehden muistista saataville tulevaa olioluontia varten. Roskienkerääjän valinta ja sen viritysparametrit vaikuttavat syvästi sovelluksen suorituskykyyn, mukaan lukien:

Sovelluksen pysähdykset: GC-pysähdykset, jotka tunnetaan myös nimellä 'stop-the-world'-tapahtumat, joissa sovelluksen säikeet keskeytetään GC:n suorittamisen ajaksi. Tiheät tai pitkät pysähdykset voivat merkittävästi vaikuttaa käyttäjäkokemukseen.
Läpäisykyky: Sovelluksen tehtävien käsittelynopeus. GC voi kuluttaa osan prosessorin resursseista, joita voitaisiin käyttää varsinaiseen sovellustyöhön, vaikuttaen siten läpäisykykyyn.
Muistin käyttö: Kuinka tehokkaasti sovellus käyttää käytettävissä olevaa muistia. Huonosti konfiguroitu GC voi johtaa liialliseen muistin käyttöön ja jopa muistin loppumisvirheisiin.
Latenssi: Aika, joka sovellukselta kestää vastata pyyntöön. GC-pysähdykset lisäävät suoraan latenssia.

Erilaiset roskienkerääjät JVM:ssä

JVM tarjoaa useita erilaisia roskienkerääjiä, joilla jokaisella on omat vahvuutensa ja heikkoutensa. Roskienkerääjän valinta riippuu sovelluksen vaatimuksista ja työkuorman ominaisuuksista. Tutustutaan joihinkin merkittävimpiin:

1. Sarjallinen roskienkerääjä

Serial GC on yksisäikeinen kerääjä, joka sopii ensisijaisesti yhden ytimen koneilla tai hyvin pienillä kekoilla toimiville sovelluksille. Se on yksinkertaisin kerääjä ja suorittaa täydellisiä GC-syklejä. Sen suurin haittapuoli ovat pitkät 'stop-the-world'-pysähdykset, mikä tekee siitä sopimattoman tuotantoympäristöihin, jotka vaativat matalaa latenssia.

2. Rinnakkaiskerääjä (Läpäisykykykerääjä)

Parallel GC, joka tunnetaan myös nimellä throughput collector, pyrkii maksimoimaan sovelluksen läpäisykyvyn. Se käyttää useita säikeitä pienempien ja suurempien roskienkeräysjaksojen suorittamiseen, lyhentäen yksittäisten GC-jaksojen kestoa. Se on hyvä valinta sovelluksiin, joissa läpäisykyvyn maksimointi on tärkeämpää kuin matala latenssi, kuten eräajojen käsittelyssä.

3. CMS (Concurrent Mark Sweep) roskienkerääjä (Vanhentunut)

CMS suunniteltiin vähentämään pysähdysaikoja suorittamalla suurin osa roskienkeruusta samanaikaisesti sovelluksen säikeiden kanssa. Se käytti samanaikaista merkintä-pyyhkimismenetelmää. Vaikka CMS tarjosi lyhyempiä pysähdyksiä kuin Parallel GC, se saattoi kärsiä fragmentaatiosta ja sillä oli korkeampi prosessorin kuormitus. CMS on vanhentunut Java 9:stä lähtien eikä sitä suositella uusiin sovelluksiin. Sen tilalle on tullut G1GC.

4. G1GC (Garbage-First roskienkerääjä)

G1GC on oletusroskienkerääjä Java 9:stä lähtien ja se on suunniteltu sekä suurille kekokoille että matalille pysähdysajoille. Se jakaa kekon alueisiin ja priorisoi keräämään alueita, joissa on eniten roskia, mistä nimi 'Garbage-First'. G1GC tarjoaa hyvän tasapainon läpäisykyvyn ja latenssin välillä, tehden siitä monipuolisen valinnan laajalle joukolle sovelluksia. Se pyrkii pitämään pysähdysajat alle määritellyn tavoitteen (esim. 200 millisekuntia).

5. ZGC (Z roskienkerääjä)

ZGC on matalan latenssin roskienkerääjä, joka esiteltiin Javassa 11 (kokeellinen Java 11:ssä, tuotantovalmis Java 15:stä lähtien). Sen tavoitteena on minimoida GC-pysähdysajat vain 10 millisekuntiin kekon koosta riippumatta. ZGC toimii samanaikaisesti, sovelluksen pyöriessä lähes keskeytyksettä. Se sopii sovelluksiin, jotka vaativat äärimmäisen matalaa latenssia, kuten korkean taajuuden kauppajärjestelmät tai online-pelialustat. ZGC käyttää värjättyjä osoittimia olosuhteiden viittausten seuraamiseen.

6. Shenandoah roskienkerääjä

Shenandoah on matalan pysähdysajan roskienkerääjä, jonka Red Hat on kehittänyt ja se on potentiaalinen vaihtoehto ZGC:lle. Se pyrkii myös erittäin mataliin pysähdysaikoihin suorittamalla roskienkeruuta samanaikaisesti. Shenandoahin keskeinen ero on, että se voi tiivistää kekoa samanaikaisesti, mikä voi auttaa vähentämään fragmentaatiota. Shenandoah on tuotantovalmis OpenJDK:ssa ja Red Hat -jakeluissa. Se tunnetaan matalista pysähdysajoistaan ja läpäisykykyominaisuuksistaan. Shenandoah toimii täysin samanaikaisesti sovelluksen kanssa, mikä hyödyttää sitä, ettei sovelluksen suoritusta pysäytetä hetkeksikään. Työ tehdään lisäsäikeen kautta.

Keskeiset GC-viritysparametrit

Roskienkeruun viritys sisältää useiden parametrien säätämisen suorituskyvyn optimoimiseksi. Tässä on joitakin kriittisiä parametreja, jotka on syytä ottaa huomioon, luokiteltuna selkeyden vuoksi:

1. Keko koon konfiguraatio

-Xms<koko> (Minimi kekokoko): Asettaa keon alkuperäisen koon. Yleensä on hyvä käytäntö asettaa tämä samaksi arvoksi kuin -Xmx estääkseen JVM:ää muuttamasta kekoa ajon aikana.
-Xmx<koko> (Maksimi kekokoko): Asettaa keon maksimikoon. Tämä on kriittisin konfiguroitava parametri. Oikean arvon löytäminen vaatii kokeilua ja seurantaa. Suurempi keko voi parantaa läpäisykykyä, mutta voi lisätä pysähdysaikoja, jos GC:n on työskenneltävä kovemmin.
-Xmn<koko> (Nuoren sukupolven koko): Määrittää nuoren sukupolven koon. Nuori sukupolvi on paikka, johon uudet oliot alun perin allokoidaan. Suurempi nuori sukupolvi voi vähentää pienten GC-jaksojen tiheyttä. G1GC:lle nuoren sukupolven kokoa hallitaan automaattisesti, mutta sitä voidaan säätää parametreilla -XX:G1NewSizePercent ja -XX:G1MaxNewSizePercent.

2. Roskienkerääjän valinta

-XX:+UseSerialGC: Ottaa käyttöön Serial GC:n.
-XX:+UseParallelGC: Ottaa käyttöön Parallel GC:n (throughput collector).
-XX:+UseG1GC: Ottaa käyttöön G1GC:n. Tämä on oletus Java 9:ssä ja sitä uudempina versioina.
-XX:+UseZGC: Ottaa käyttöön ZGC:n.
-XX:+UseShenandoahGC: Ottaa käyttöön Shenandoah GC:n.

3. G1GC-kohtaiset parametrit

-XX:MaxGCPauseMillis=<ms>: Asettaa G1GC:n tavoitellun maksimipysähdysajan millisekunteina. GC yrittää täyttää tämän tavoitteen, mutta se ei ole takuu.
-XX:G1HeapRegionSize=<koko>: Asettaa kekoalueiden koon G1GC:lle. Alueen koon kasvattaminen voi mahdollisesti vähentää GC:n kuormitusta.
-XX:G1NewSizePercent=<prosentti>: Asettaa G1GC:n nuoren sukupolven vähimmäisprosentin keosta.
-XX:G1MaxNewSizePercent=<prosentti>: Asettaa G1GC:n nuoren sukupolven enimmäisprosentin keosta.
-XX:G1ReservePercent=<prosentti>: Uusien olioiden allokointiin varattu muistin määrä. Oletusarvo on 10 %.
-XX:G1MixedGCCountTarget=<määrä>: Määrittää sekoitettujen roskienkeräysjaksojen tavoitemäärän syklissä.

4. ZGC-kohtaiset parametrit

-XX:ZUncommitDelay=<sekunnit>: Aika sekunneissa, jonka ZGC odottaa ennen muistin vapauttamista käyttöjärjestelmälle.
-XX:ZAllocationSpikeFactor=<kerroin>: Allokointinopeuden piikkikerroin. Suurempi arvo tarkoittaa, että GC saa toimia aggressiivisemmin roskien keräämisessä ja voi kuluttaa enemmän prosessorisyklejä.

5. Muut tärkeät parametrit

-XX:+PrintGCDetails: Ottaa käyttöön yksityiskohtaisen GC-lokituksen, joka tarjoaa arvokasta tietoa GC-sykleistä, pysähdysajoista ja muistin käytöstä. Tämä on ratkaisevan tärkeää GC-käyttäytymisen analysoinnissa.
-XX:+PrintGCTimeStamps: Sisällyttää aikaleimat GC-lokitulosteeseen.
-XX:+UseStringDeduplication (Java 8u20 ja uudemmat, G1GC): Vähentää muistin käyttöä samojen merkkijonojen duplikaattien poistamisella keosta.
-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses: Sallii tai kieltää nykyisen JDK:n eksplisiittisten GC-kutsujen käytön. Tämä on hyödyllistä suorituskyvyn heikkenemisen estämiseksi tuotantoympäristössä.
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError: Luo kekotallenteen, kun tapahtuu OutOfMemoryError, mikä mahdollistaa muistin käytön yksityiskohtaisen analyysin ja muistivuotojen tunnistamisen.
-XX:HeapDumpPath=<polku>: Määrittää sijainnin, johon kekotallenteen tiedosto kirjoitetaan.

Käytännön GC-viritysesimerkit

Tarkastellaan joitakin käytännön esimerkkejä eri tilanteisiin. Muista, että nämä ovat lähtökohtia ja vaativat kokeilua ja seurantaa oman sovelluksesi ominaisuuksien perusteella. On tärkeää seurata sovelluksia asianmukaisen perustason saavuttamiseksi. Myös tulokset voivat vaihdella laitteiston mukaan.

1. Eräajon käsittelysovellus (keskittyminen läpäisykykyyn)

Eräajojen käsittelysovelluksissa ensisijainen tavoite on yleensä läpäisykyvyn maksimointi. Matala latenssi ei ole yhtä kriittinen. Parallel GC on usein hyvä valinta.

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

Tässä esimerkissä asetamme keon minimi- ja maksimikoon 4 Gt:iin, otamme käyttöön Parallel GC:n ja yksityiskohtaisen GC-lokituksen.

2. Verkkosovellus (latenssiherkkä)

Verkkosovelluksissa matala latenssi on ratkaisevan tärkeää hyvän käyttäjäkokemuksen kannalta. G1GC tai ZGC (tai Shenandoah) ovat usein suositeltavampia.

G1GC:n käyttö:

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

Tämä konfiguraatio asettaa keon minimi- ja maksimikoon 8 Gt:iin, ottaa käyttöön G1GC:n ja asettaa tavoitellun maksimipysähdysajan 200 millisekuntiin. Säädä MaxGCPauseMillis -arvoa suorituskykyvaatimustesi mukaan.

ZGC:n käyttö (vaatii Java 11+):

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

Tämä esimerkki ottaa käyttöön ZGC:n samankaltaisella kekokonfiguraatiolla. Koska ZGC on suunniteltu erittäin matalaan latenssiin, sinun ei yleensä tarvitse määrittää pysähdysajan tavoitetta. Voit lisätä parametreja erityistilanteisiin; esimerkiksi jos sinulla on allokointinopeusongelmia, voit kokeilla -XX:ZAllocationSpikeFactor=2

3. Korkean taajuuden kauppajärjestelmä (äärimmäisen matala latenssi)

Korkean taajuuden kauppajärjestelmissä äärimmäisen matala latenssi on ensiarvoisen tärkeää. ZGC on ihanteellinen valinta, olettaen että sovellus on yhteensopiva sen kanssa. Jos käytät Java 8:aa tai sinulla on yhteensopivuusongelmia, harkitse Shenandoahia.

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

Samoin kuin verkkosovellusesimerkissä, asetamme kekokoon ja otamme käyttöön ZGC:n. Harkitse ZGC:n erityisparametrien lisäsäätöä työkuorman perusteella.

4. Suuria tietomääriä käsittelevät sovellukset

Sovelluksissa, jotka käsittelevät erittäin suuria tietomääriä, tarvitaan huolellista harkintaa. Suurempi kekokoko voi olla tarpeen, ja seuranta tulee entistä tärkeämmäksi. Dataa voidaan myös välimuistiin nuoreen sukupolveen, jos tietomäärä on pieni ja koko on lähellä nuoren sukupolven kokoa.

Harkitse seuraavia kohtia:

Olioiden allokointinopeus: Jos sovelluksesi luo suuren määrän lyhytikäisiä olioita, nuori sukupolvi voi olla riittävä.
Olioiden elinikä: Jos oliot elävät pidempään, sinun on seurattava nuoren sukupolven siirtymistä vanhempaan sukupolveen.
Muistin jalanjälki: Jos sovellus on muistirajoitteinen ja kohtaat OutOfMemoryError-virheitä, olioiden koon pienentäminen tai niiden tekeminen lyhytikäisiksi voi ratkaista ongelman.

Suurelle tietomäärälle nuoren ja vanhan sukupolven suhde on tärkeä. Harkitse seuraavaa esimerkkiä matalien pysähdysaikoja varten:

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

Tämä esimerkki asettaa suuremman keon (32 Gt) ja säätää G1GC:tä matalammalla tavoitepysähdysajalla ja säädetyllä nuoren sukupolven koolla. Säädä parametreja vastaavasti.

Seuranta ja analyysi

GC:n viritys ei ole kertaluonteinen ponnistus; se on iteratiivinen prosessi, joka vaatii huolellista seurantaa ja analyysia. Näin voit lähestyä seurantaa:

1. GC-lokitus

Ota käyttöön yksityiskohtainen GC-lokitus parametreilla kuten -XX:+PrintGCDetails, -XX:+PrintGCTimeStamps ja -Xloggc:<tiedostonimi>. Analysoi lokitiedostoja ymmärtääksesi GC-käyttäytymistä, mukaan lukien pysähdysajat, GC-syklin tiheys ja muistin käyttökuviot. Harkitse työkalujen kuten GCViewer tai GCeasy käyttöä GC-lokien visualisointiin ja analysointiin.

2. Sovelluksen suorituskyvyn valvontatyökalut (APM)

Hyödynnä APM-työkaluja (esim. Datadog, New Relic, AppDynamics) sovelluksen suorituskyvyn, mukaan lukien prosessorin käyttö, muistin käyttö, vasteajat ja virtahelmit, seuraamiseksi. Nämä työkalut voivat auttaa tunnistamaan GC:hen liittyvät pullonkaulat ja tarjota tietoa sovelluksen käyttäytymisestä. Myös markkinoilla olevat työkalut, kuten Prometheus ja Grafana, voidaan käyttää reaaliaikaisten suorituskyvyn oivallusten saamiseksi.

3. Kekotallenteet

Ota kekotallenteita (käyttäen -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError ja -XX:HeapDumpPath=<polku>), kun OutOfMemoryError-virheitä ilmenee. Analysoi kekotallenteita työkaluilla kuten Eclipse MAT (Memory Analyzer Tool) tunnistaaksesi muistivuotoja ja ymmärtääksesi olioiden allokointimalleja. Kekotallenteet tarjoavat kuvan sovelluksen muistin käytöstä tietyssä hetkessä.

4. Profilointi

Käytä Java-profilointityökaluja (esim. JProfiler, YourKit) tunnistaaksesi koodisi suorituskyvyn pullonkaulat. Nämä työkalut voivat tarjota oivalluksia olioiden luomiseen, metodikutsuihin ja prosessorin käyttöön, mikä voi epäsuorasti auttaa GC:n virityksessä optimoimalla sovelluksen koodia.

Parhaat käytännöt GC-viritykseen

Aloita oletusasetuksista: JVM:n oletusasetukset ovat usein hyvä lähtökohta. Älä ylivirita ennenaikaisesti.
Ymmärrä sovelluksesi: Tunne sovelluksesi työkuorma, olioiden allokointimallit ja muistin käyttöominaisuudet.
Testaa tuotannonomaisissa ympäristöissä: Testaa GC-konfiguraatioita ympäristöissä, jotka muistuttavat läheisesti tuotantoympäristöäsi, jotta voit arvioida suorituskykyvaikutusta tarkasti.
Seuraa jatkuvasti: Seuraa jatkuvasti GC:n käyttäytymistä ja sovelluksen suorituskykyä. Säädä viritysparametreja tarvittaessa havaittujen tulosten perusteella.
Eristä muuttujat: Kun virität, muuta vain yhtä parametria kerrallaan ymmärtääksesi kunkin muutoksen vaikutuksen.
Vältä ennenaikaista optimointia: Älä optimoi kuviteltua ongelmaa varten ilman vankkaa dataa ja analyysia.
Harkitse koodin optimointia: Optimoi koodisi olioiden luomisen ja roskienkeruun kuormituksen vähentämiseksi. Uudelleenkäytä esimerkiksi olioita aina kun mahdollista.
Pysy ajan tasalla: Pysy ajan tasalla GC-teknologian ja JVM-päivitysten uusimmista edistysaskelista. Uudet JVM-versiot sisältävät usein parannuksia roskienkeruuseen.
Dokumentoi virityksesi: Dokumentoi GC-konfiguraatio, valintojesi perustelut ja suorituskyvyn tulokset. Tämä auttaa tulevassa ylläpidossa ja vianmäärityksessä.

Yhteenveto

Roskienkeruun viritys on kriittinen osa Java-sovelluksen suorituskyvyn optimointia. Ymmärtämällä eri roskienkerääjät, viritysparametrit ja seuranta tekniikat, voit tehokkaasti optimoida sovelluksesi vastaamaan tiettyjä suorituskykyvaatimuksia. Muista, että GC-viritys on iteratiivinen prosessi ja vaatii jatkuvaa seurantaa ja analyysiä optimaalisten tulosten saavuttamiseksi. Aloita oletusasetuksista, ymmärrä sovelluksesi ja kokeile eri konfiguraatioita löytääksesi parhaiten tarpeisiisi sopivan. Oikealla konfiguraatiolla ja seurannalla voit varmistaa, että Java-sovelluksesi toimivat tehokkaasti ja luotettavasti, globaalista kattavuudestasi riippumatta.