谈JVM线程和内存参数合理性设置

原创技术平台部刘乐京东零售技术

1 线程参数

1.1

ParallelGCThreads

在讲这个参数之前，先谈谈JVM垃圾回收(GC)算法的两个优化标的：吞吐量和停顿时长。JVM会使用特定的GC收集线程，当GC开始的时候，GC线程会和业务线程抢占CPU时间，吞吐量定义为CPU用于业务线程的时间与CPU总消耗时间的比值。为了承接更大的流量，吞吐量越大越好。

为了安全的垃圾回收，在GC或者GC某个阶段，所有业务线程都会被暂停，也就是STW（Stop The World)，STW持续时间就是停顿时长，停顿时长影响响应速度，因此越小越好。

这两个优化目标是有冲突的，不同的GC方法优化标的有所不同，并且在一定范围内，参与GC的线程数越多，停顿时长越小，但吞吐量也越小。生产实践中，需要根据业务特点选择合适的GC方法，并设置合理的GC线程数。

目前广泛使用的GC算法，包括

PS MarkSweep/PS Scavenge,

ConcurrentMarkSweep/ParNew, G1等，都可以通过ParallelGCThreads参数来指定JVM在并行GC时参与垃圾收集的线程数。该值设置过小，GC暂停时间变长影响RT，设置过大则影响吞吐量，从而导致CPU过高。

参数设置

GC并发线程数可以通过JVM启动参数: -XX:ParallelGCThreads=[n]来指定。在未明确指定的情况下，JVM会根据逻辑核数ncpus，采用以下公式来计算默认值：

当ncpus小于8时，ParallelGCThreads = ncpus。
否则 ParallelGCThreads = 8 + (ncpus - 8 ) ( 5/8 )。

一般来说，在无特殊要求下，

ParallelGCThreads参数使用默认值就可以了。但是在JDK版本1.8.0_131之前，JVM无法感知Docker的CPU限制，会使用宿主机的逻辑核数计算默认值。比如部署在128核物理机上的容器，JVM中默认ParallelGCThreads为83，远超过了容器的核数。过多的GC线程数抢占了业务线程的CPU时间，加上线程切换的开销，较大地降低了吞吐量。因此JDK 1.8.0_131之前的版本，未明确指定ParallelGCThreads会有较大的风险。

参数实验

创建 8C12G 容器，宿主机是128C。模拟线上真实流量，采用相同QPS，观察及对比JVM Young GC，JVM CPU，容器CPU等监控数据。场景如下：

场景1: JVM ParallelGCThreads 默认值，QPS = 420，持续5分钟，CPU恒定在70%。
场景2: JVM ParallelGCThreads=8，QPS = 420，持续5分钟，CPU恒定在65%。
场景3: JVM ParallelGCThreads 默认值，QPS瞬时发压到420，前1min CPU持续100%。
场景4: JVM ParallelGCThreads=8，QPS瞬时发压到420，前2s CPU持续100%，后面回落。

从监控数据来看，各场景下CPU差距较明显，特别是场景3和场景4的对比。场景3由于GC线程过多，CPU持续100%时长达1分钟。可以得出以下两个结论：

修改 ParallelGCThreads = 8后，同等QPS情况下，CPU会降低5%左右。
修改 ParallelGCThreads = 8后，瞬间发压且CPU打满情况下，CPU恢复较快

图1: 容器CPU对比图：场景3(上)和场景4(下)

图2: JVM Young GC对比图：场景3(上)和场景4(下)

修改建议

ParallelGCThreads配置存在风险的应用，修改方式为以下两种方案（任选一种）：

升级JDK版本到1.8.0_131以上，推荐1.8.0_191以上。
在JVM启动参数明确指定 -XX:ParallelGCThreads=[n]，n为下表的推荐值：

1.2

其他线程参数

除ParallelGCThreads外，还有两个和线程相关参数比较重要：

ConcGCThreads，CICompilerCount。

ConcGCThreads一般称为并发标记线程数，为了减少GC的STW的时间，CMS和G1都有并发标记的过程，此时业务线程仍在工作，只是并发标记是CPU密集型任务，业务的吞吐量会下降，RT会变长。

ConcGCThreads的默认值不同GC策略略有不同，CMS下是(ParallelGCThreads + 3) / 4 向下取整，G1下是ParallelGCThreads / 4 四舍五入。一般来说采用默认值就可以了，但还是由于在JDK版本1.8.0_131之前，JVM无法感知Docker的资源限制的问题，ConcGCThreads的默认值会比较大（20左右），对业务会有影响。

CICompilerCount是JIT进行热点编译的线程数，和并发标记线程数一样，热点编译也是CPU密集型任务，默认值为2。在CICompilerCountPerCPU开启的时候（JDK7默认关闭，JDK8默认开启），手动指定CICompilerCount是不会生效的，JVM会使用系统CPU核数进行计算。所以当使用JDK8并且版本小于1.8.0_131，采用默认参数时，CICompilerCount会在20左右，对业务性能影响较大，特别是启动阶段。建议升级Java版本，特殊情况要使用老版本Java 8，请加上-XX:CICompilerCount=[n], 同时不能指定-XX:+CICompilerCountPerCPU ，下表给出了生产环境下常见规格的推荐值。

2 内存参数

前面说到JVM垃圾回收算法的两个优化标的：吞吐量和停顿时长，并提到这两个优化目标是有冲突的。那么有没有可能提高吞吐量而不影响停顿时长，甚至缩短停顿时长呢？答案是有可能的，提高内存占用（Memory Footprint）就有可能同时优化这两个标的。

内存占用一般指应用运行需要的所有内存，包括堆内内存（On-heap Memory)和堆外内存（Off-heap Memory）。

2.1

堆内内存

堆内内存是分配给JVM的部分内存，用来存放所有Java Class对象实例和数组，JVM GC操作的就是这部分内容。我们先来回顾一下堆内内存的模型：

图3. 堆内内存

堆内内存包括年轻代（浅绿色），老年代（浅蓝色），在JDK7或者更老的版本，图中右边还有个永久代（永久代在逻辑上位于JVM的堆区，但又被称为非堆内存，在JDK8中被元空间取代）。JVM有动态调整内存策略，通过-Xms，-Xmx 指定堆内内存动态调整的上下限。在JVM初始化时实际只分配部分内存，可通过-XX:InitialHeapSize指定初始堆内存大小，未被分配的空间为图中virtual部分。年轻代和老年代在每次GC的时候都有可能调整大小，以保证存活对象占用百分比在特定阈值范围内，直到达到Xms指定的下限或Xms指定的上限。

（阈值范围通过-XX:MinHeapFreeRatio, XX:MaxHeapFreeRatio指定，默认值分别为40， 70）。

GC调优中还有个重要参数是老年代和年轻代的比例，通过-XX:NewRatio设定，与此相关的还有-XX:MaxNewSize和-XX:NewSize，分别设定年轻代大小的上下限，-Xmn则直接指定年轻代的大小。

参数默认值

-Xmx: Xmx的默认值比较复杂，官方文档上有时候写的是1GB，但实际值跟JDK版本、JVM 模式（client, server）和系统（平台类型，32位，64位）等都有关。经过查阅源码和实验，确定在生产环境下（server模式，64位Centos，JDK 8），Xmx的默认值可以采用以下规则计算：

容器内存小于等于2G：默认值为容器内存的1/2，最小16MB，最大512MB。
容器内存大于2G：默认值为容器内存的1/4, 最大可到达32G。

-Xms: 默认值为容器内存的1/64, 最小8MB，如果明确指定了Xmx并且小于容器内存1/64, Xms默认值为Xmx指定的值。
-NewRatio: 默认2，即年轻代和年老代的比例为1:2，年轻代大小为堆内内存的1/3。

NOTE：在JDK版本1.8.0_131之前，JVM无法感知Docker的资源限制，Xmx, Xms未明确指定时，会使用宿主机的内存计算默认值。

最佳实践

由于每次Eden区满就会触发YGC，而每次YGC的时候，晋升到老年代的对象大小超过老年代剩余空间的时候，就会触发FGC。所以基本来说，GC频率和堆内内存大小是成反比的，也就是说堆内内存越大，吞吐量越大。

如果Xmx设置过小，不仅浪费了容器资源，在大流量下会频繁GC，导致一系列问题，包括吞吐量降低，响应变长，CPU升高，java.lang.OutOfMemoryError异常等。当然Xmx也不建议设置过大，否则会导致内存分配失败或者使用容器Swap。所以合理设置Xmx非常重要，特别是对于1.8.0_131之前的版本，一定要明确指定Xmx。推荐设置为容器内存的50%，不能超过容器内存的80%。

JVM的动态内存策略不太适合服务使用，因为每次GC需要计算Heap是否需要伸缩，内存抖动需要向系统申请或释放内存，特别是在服务重启的预热阶段，内存抖动会比较频繁。另外，容器中如果有其他进程还在消费内存，JVM内存抖动时可能申请内存失败，导致OOM。因此建议服务模式下，将Xms设置Xmx一样的值。

NewRatio建议在2~3之间，最优选择取决于对象的生命周期分布。一般先确定老年代的空间（足够放下所有live data，并适当增加10%~20%)，其余是年轻代，年轻代大小一定要小于老年代。

另外，以上建议都是基于一个容器部署一个JVM实例的使用情况。有个别需求，需要在一个容器内启用多个JVM，或者包含其他语言的，研发需要按业务需求在推荐值范围内分配JVM的Xmx。

2.2

堆外内存

和堆内内存对应的就是堆外内存。堆外内存包括很多部分，比如Code Cache， Memory Pool，Stack Memory，Direct Byte Buffers, Metaspace等等，其中我们需要重点关注的是Direct Byte Buffers和Metaspace。

Direct Byte Buffers

Metaspace Direct Byte Buffers是系统原生内存，不位于JVM里，狭义上的堆外内存就是指的Direct Byte Buffers。为什么要使用系统原生内存呢? 为了更高效的进行Socket I/O或文件读写等内核态资源操作，会使用JNI（Java原生接口），此时操作的内存需要是连续和确定的。而Heap中的内存不能保证连续，且GC也可能导致对象随时移动。因此涉及Output操作时，不直接使用Heap上的数据，需要先从Heap上拷贝到原生内存，Input操作则相反。因此为了避免多余的拷贝，提高I/O效率，不少第三方包和框架使用Direct Byte Buffers，比Netty。

Direct Byte Buffers虽然有上述优点，但使用起来也有一定风险。常见的Direct Byte Buffers使用方法是用java.nio.DirectByteBuffer的unsafe.allocateMemory方法来创建，DirectByteBuffer对象只保存了系统分配的原生内存的大小和启始位置，这些原生内存的释放需要等到DirectByteBuffer对象被回收。有些特殊的情况下（比如JVM一直没有FGC，设置-XX:+DisableExplicitGC禁用了System.gc），这部分对象会持续增加，直到堆外内存达到-XX:MaxDirectMemorySize 指定的大小或者耗尽所有的系统内存。

MaxDirectMemorySize不明确指定的时候，默认值为0，在代码中实际为

Runtime.getRuntime().maxMemory()，略小于-Xmx指定的值（堆内内存的最大值减去一个Survivor区大小）。此默认值有点过大，MaxDirectMemorySize未设置或设置过大，有可能发生堆外内存泄露，导致进程被系统Kill。

由于存在一定风险，建议在启动参数里明确指定-XX:MaxDirectMemorySize的值，并满足下面规则：

Xmx * 110% + MaxDirectMemorySize + 系统预留内存 <= 容器内存。
Xmx * 110% 中额外的10%是留给其他堆外内存的，是个保守估计，个别业务运行时线程较多，需自行判断，上式中左侧还需加上Xss * 线程数。
系统预留内存512M到1G，视容器规格而定。
I/O较多的业务适当提高MaxDirectMemorySize比例。

Metaspace

Metaspace（元空间）是JDK8关于方法区新的实现，取代之前的永久代，用来保存类、方法、数据结构等运行时信息和元信息的。很多研发在老版本时可能遇到过java.lang.OutOfMemoryError: PermGen Space，这说明永久代的空间不够用了，可以通过-XX:PermSize，-XX:MaxPermSize来指定永久代的初始大小和最大大小。Metaspace取代永久代，位置由JVM内存变成系统原生内存，也取消默认的最大空间限制。与此有关的参数主要有下面两个：

-XX:MaxMetaspaceSize 指定元空间的最大空间，默认为容器剩余的所有空间。

-XX:MetaspaceSize 指定元空间首次扩充的大小，默认为20.8M。

由于MaxMetaspaceSize未指定时，默认无上限，所以需要特别关注内存泄露的问题，如果程序动态的创建了很多类，或出现过java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace，建议明确指定-XX:MaxMetaspaceSize。另外Metaspace实际分配的大小是随着需要逐步扩大的，每次扩大需要一次FGC，

-XX:MetaspaceSize默认的值比较小，需要频繁GC扩充到需要的大小。通过下面的日志可以看到Metaspace引起的FGC：

[Full GC (Metadata GC Threshold) ...]

为减少预热影响，可以将-XX:MetaspaceSize，-XX:MaxMetaspaceSize指定成相同的值。另外不少应用由JDK7升级到了JDK8，但是启动参数中仍有

-XX:PermSize，-XX:MaxPermSize，这些参数是不生效的，建议修改成

-XX:MetaspaceSize，

-XX:MaxMetaspaceSize。

3 配置建议

1) 建议升级JDK版本到1.8.0_191及以上；2）启动参数中包含以下几项(方括号中的值根据文中推荐选取)：

-server -Xms[8192m] -Xmx[8192m] -XX:MaxDirectMemorySize=[4096m]

如果特殊原因要使用1.8.0_131以下版本，则同时需要加上以下参数(方括号中的值根据文中推荐选取)：

-XX:ParallelGCThreads=[8] -XX:ConcGCThreads=[2] -XX:CICompilerCount=[2]

下面的项建议测试后使用，需自行确定具体大小（特别是使用JDK8但仍配置-XX:PermSize，-XX:MaxPermSize的应用）：

-XX:MaxMetaspaceSize=256m -XX:MetaspaceSize=256m

环境变量设置如下例子：

export JAVA_OPTS="-Djava.library.path=/usr/local/lib -server -Xms4096m -Xmx4096m -XX:MaxMetaspaceSize=512m -XX:MetaspaceSize=512m -XX:MaxDirectMemorySize=2048m -XX:ParallelGCThreads=8 -XX:ConcGCThreads=2 -XX:CICompilerCount=2 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/export/Logs -XX:+UseG1GC [other_options...] -jar jarfile [args...]

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