解锁滴滴ES的性能潜力：JDK 17和ZGC的升级之路
前文介绍了滴滴自研的ES强一致性多活是如何实现的，其中也提到为了提升查询性能和解决查询毛刺问题，滴滴ES原地升级JDK17和ZGC，在这个过程中我们遇到了哪些问题，怎样解决的，以及最终上线效果如何，这篇文章就带大家深入了解。
背景
滴滴ES在2020年的时候由2.X升级到7.6.0，该版本是在官方7.6.0的基础上改造而来，支持的是JDK11，采用的垃圾回收器是G1。ES的业务主要分为两类，一类是日志场景，该场景写多读少，高峰期CPU使用率在85%左右，写入性能是它的主要瓶颈；另一类是非日志场景，例如POI检索、订单、支付，这些场景对查询耗时及查询稳定性都有着较高的要求。
随着ES业务数据量的增长，GC导致的查询稳定性压力剧增，已经逐渐无法满足业务需求。以下是ES面临的主要问题：
非日志场景的GC问题
1、Yong GC平均暂停时间长，一些集群的平均暂停时间达到百毫秒级别。
GC暂停时间长在订单集群这种112G大内存的进程中表现尤为明显。下图为订单集群的GC暂停时间，可以发现一次Yang GC的平均暂停时间就达到了200ms，有些甚至超过了1s。ES的核心业务POI、订单等对查询耗时的P99以及Max都有一定的需求，GC暂停导致的查询延时以及毛刺问题无法满足业务需求。
订单集群的GC暂停时间
2、Full GC问题频繁，影响集群稳定性。
G1的Full GC会导致GC模式退化为串行扫描整个堆，导致几十秒甚至是分钟级别的暂停。这种长时间的暂停不仅影响用户的查询，还容易造成节点间的通信超时，导致master、dataNode脱离集群，影响集群稳定性。
3、JDK11-G1内存不回收问题频发，如下图所示，通过调优G1参数也没有很好地解决内存问题。
GC不回收现象
日志场景的Reject问题
日志场景的Reject问题
ES的日志场景写入量大，GC频繁且性能较差，这也进一步加剧日志集群的写入Reject问题。
JDK17落地
JDK17落地
2022年上半年，ES开启了扫雷专项，意在打造一个更高性能、更低延迟、更加稳定的ES检索引擎。在这种背景下，对JDK17-ZGC进行调研，经过测试ZGC可以将GC暂停时间控制在10ms内，能够很好地解决GC导致的查询耗时问题。
同时针对日志这种高吞吐场景，测试了JDK17-G1，发现GC性能相较于JDK11-G1提升了15%，并且JDK17在向量化支持、字符串处理等方面做了许多优化，能在一定程度上缓解日志集群的写入压力。如图所示：
官方GC吞吐性能
官方GC延迟
生产环境需要稳定、可维护并且免费的JDK版本，同时JDK17是JDK11后又一个可长期支持的版本，在性能、稳定性和安全性上都有很大的提升，对ZGC的适配也进一步加强，对G1的稳定性和性能有极大的提升。因此，选择了这一版本。
ZGC 是一个并发的、单代的、基于区域的、NUMA 感知的垃圾回收器，Stop-the-world 阶段仅限于根扫描，因此 GC 暂停时间不会随堆或 live set 的变大而增加。
ZGC垃圾回收过程几乎全程并发，如下图所示，这得益于它所采用的着色指针和读屏障技术。这两项技术解决了对象转移过程中的对象地址定位不准确问题，从而使得传统GC停顿时间最长的对象转移过程和进程并发进行。
ZGC并发垃圾回收过程
为了实现JDK17在滴滴ES的落地，我们从以下三方面进行着手：
Gradle版本升级
Gradle版本升级
ES依靠Gradle进行项目管理，Gradle使用一种基于Groovy的特定领域语言(DSL)来声明项目设置。Gradle版本、JDK版本和Groovy版本，三者是一一对应的。滴滴ES7.6.0采用的是Gadle6.0版本，支持JDK11。
相应地，如果要使用JDK17，就需要将Gradle升级到7.3版本以上。实现跨大版本的Gradle升级，主要从以下四个方面进行了优化调整。
1、语法升级
以上是部分配置升级，还包括Project.afterEvaluate()、getBaseName()等方法替换等。
2、插件加载方式调整
插件的使用方式由apply plugin ‘xxx’ 更改为 plugins{ id 'xxx' id'xxx'}，否则容易出现插件找不到问题。
3、解决语法格式导致代码编译失败问题
Gradle由6.0升级到7.3.2，对应的Groovy也从2.x升级到了3.0.7版本。新版本的Groovy有着更加严格的解析器，可能无法编译以前Groovy已经接收的代码。部分解决操作如下图：
代码注解格式调整
4、Plugin重构
由于一些groovy语法已失效或调整，部分Groovy plugin需要通过java语言进行重构，例如校验类插件PrecommitPlugin.groovy重构为PrecommitPlugin.java。
源码编译
源码编译
1、解决ES源码触发JVM编译BUG
使用lambda表达式代替方法引用，解决方法引用导致的JDK编译BUG。部分修改如下图所示。
方法引用替换
2、依赖jar包升级：例如Jetty升级到9+版本、jackson升级到2.3.3版本等。
3、类无法使用：通过类替换、BuildPlugin.groovy插件重构等方式解决。
4、注解类问题：部分gradle注解进行了升级替换，例如一些任务类插件需要增加@TaskAction注解等。
搭建ZGC指标监控体系
搭建ZGC指标监控体系
一套完整的监控体系能够快速的发现问题并止损，才能更好的保障服务的稳定性。为此，ES基于G1搭建了一套完善的JVM指标监控体系，监控一些核心指标并配置报警，能够很好的判断内存的健康度。例如：
监控G1 老年代使用率，当老年代使用率长时间超过阈值时触发报警。
监控Full GC指标，当进程发生Full GC时及时触发报警。
G1的Full GC非常影响查询性能，容易导致用户查询耗时飙升甚至查询超时。通过监控老年代的使用率能够很好的判断内存压力，从而决定是否需要进行扩容、业务治理等，也能在一定程度上降低Full GC发生的频率。如果发生了Full GC，更需要去判断原因，并采取相应的策略进行优化处理。
ZGC是一个单代的垃圾回收器，也就没有新生代和老年代之分，那么通过什么指标去衡量内存压力呢？内存用满了，ZGC如何进行处理？是否也会存在类似G1 FullGC这种十分影响查询的操作？该如何发现这类情况？
我们发现，ZGC在内存用满的时候会发生Allocation Stall（内存分配速率过快，ZGC回收不过来，触发线程粒度的分配暂停），这个操作和G1 Full GC类似，区别在于G1 Full GC会将整个进程挂起，ZGC则是根据预测模型选择性地挂起部分线程。在后期的上线过程中，Allocation Stall对查询性能影响十分严重，因此对Allocation Stall事件的监控非常重要。
通过查找资料了解到当下ZGC的大规模使用场景较少，关于ZGC监控指标的相关信息匮乏。目前JDK17自带的ZGC指标bean只有两个：
ZGC Cycles：统计的是ZGC发生的次数以及总耗时
ZGC Pauses：统计的是ZGC在GC过程中暂停的次数及暂停时间，这是JDK17新增的指标bean，无法统计Allocation Stall导致的线程挂起时间
G1能够通过指标bean获取到Full GC的次数、gc时间，新生代、老年代的内存使用率等。ZGC是单代垃圾回收器没有老年代，同时ZGC无法直接通过JDK自带的指标bean获取到Allocation Stall的次数，只能在它发生的时候通过GC日志去查看。
针对这些问题，我们设计了一套ZGC指标统计体系。首先重构ES指标统计模块，使其能够统计ZGC Cycles和ZGC Pauses指标。其次，针对Allocation Stall没法统计问题，通过注册GC事件监听器，配合事件回调机制，解析GC Caues从而实现对Allocation Stall的统计。与此同时搭建ZGC Allocation Stall的监控报警体系。指标统计流程如下图所示，ZGC部分指标展示如下：
ZGC Allocation Stall指标统计流程图
{"gc": { // ES node stats ZGC指标"collectors": {"ZGC Cycles": { // JDK自带指标bean"collection_count": 242,"collection_time_in_millis": 97209},"ZGC Pauses": { // JDK17新增的指标bean"collection_count": 726,"collection_time_in_millis": 27},"ZGC AllocationStallCount": { // ES指标模块新增的AllocationStall指标bean"collection_count": 0,"collection_time_in_millis": 0}}}}
生产环境踩坑与调优
生产环境踩坑与调优
1、Allocation Stall 问题
前文也提到了Allocation Stall是由于分配速率过快，ZGC回收不过来导致的。Allocation Stall对ES的影响如下：
查询耗时增加问题：从下图的监控可以看出发生Allocation Stall之后P99的查询耗时突增。
内存熔断问题：ZGC触发的是线程级别Allocation Stall，触发时会选择性地挂起部分线程，其他线程仍然会继续申请内存，就会触发ES的内存熔断机制，导致查询熔断、写入熔断、分片分配熔断等一系列影响用户使用和集群稳定的问题。
Allocation Stall监控图
P99耗时
调优和解决方式如下：
根据机器内存使用情况，调整-Xmx增加堆内存的大小，例如一些dataNode由31G调整为64G。
调整修正系数ZAllocationSpikeTolerance，由默认2调大至5，可以更快的触发GC 。
根据不同的堆大小，调大GC线程数 ConcGCThread，降低并发标记时间，例如96G内存的GCThread由16调整到24。
-XX:+UseDynamicNumberOfGCThreads（JDK17的ZGC新特性）：配置动态GC线程，降低CPU的使用量。
2、GC大毛刺问题
如果查询毛刺或分析GC日志时发现超大的暂停时间（几十到几百毫秒），可以关闭NUMA的Auto Balance，因为开启Auto- Balance后，调动器会做大量的工作如现有页释放、分配本地node页等，来迁移进程和memory到同一个node上，从而造成一些不确定性的卡顿。
3、其他
单独开启类压缩：+UseCompressedClassPointers ，JDK15之后支持单独开启类压缩，通过减少所有对象报头的大小，从而减少整体堆的使用（适用于内存配置31G以内）。
软限制堆大小：ES一些集群存在定时更新大量数据的场景，在此期间内存使用率会突增。同时，ES底层的Lucene需要依赖操作系统缓存来提升查询速度。面对这种场景，可以通过SoftMaxHeapSize配合-XX:ZUncommitDelay参数使用，将未使用的内存归还操作系统。
上线效果
经过三个多月的实践与优化，ES目前已经在15个集群上线了JDK17版本，上线后ES可以提供更低延时、更高性能、更稳定的检索服务，主要效果如下：
更低延时
1、A业务集群上线效果
之前，有集群经常发生内存不回收问题。如下图，上线ZGC后，P99从800ms降低到30ms，下降96%；平均查询耗时从25ms降低到6ms，下降75%。
2、B业务集群上线效果
如图，上线后毛刺明显减少，能够提供更加稳定且低延时的检索服务。
3、某隔离集群上线效果
如图，上线后P99从16ms降低到8ms降低50%。
更高性能
更高性能
1、某日志集群A上线效果
ES某日志集群A上线JDK17后，CPU使用率下降20%，写入性能提升，解决了写入队列堆积和reject问题。
DataNode写入队列堆积图（集群A）
DataNode写入reject图（集群A）
CPU Idle图（集群A）
2、某日志集群B上线效果
ES某日志集群B上线JDK17后，CPU使用率下降8%，写入性能提升，写入reject降低30%，能够较好地缓解日志集群压力。
DataNode写入reject图（集群B）
更稳定
更稳定
上线JDK17-ZGC和JDK17-G1后，ES关于内存问题的报警进一步收敛，最近几乎没有内存方面的报警 。
此外，ZGC是单代GC，吞吐较低并且在Concurrent Mark阶段耗时长，为避免内存分配停顿，需要更多的内存和ConcGCThread线程，这导致CPU使用率增高。因此，对于注重吞吐的日志场景采用G1，对于CPU相对富足且对延时有一定敏感性的集群，可以通过牺牲一部分CPU换取查询性能，故采用ZGC。
总结
JDK17助力ES提供更低延时、更高性能、更稳定的检索服务，滴滴ES团队对JDK的调优和优化不止原地升级JDK17，在使用G1时，也解决了很多JDK相关的疑难杂症，包括JIT Deoptimization问题，使ES写入性能提升7倍；ES重新实现读写锁，解决了ThreadLocalMap remove导致单节点CPU飙升等等，这里就不一一介绍了。
目前ES仍存在分片恢复、多租户查询互相影响、写入性能等问题，后续我们会在这些方面重点发力，更好地助力业务发展。