一次年轻代GC长暂停问题的解决与思考

年轻代晋升机制

为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄
《深入理解Java虚拟机》一书中提到，对象晋升年龄的阈值是动态判定的。

不过经查阅其他资料和验证后，发现此处和《深入理解Java虚拟机》解释的有些出入（或者是书上解释的不够清楚）

其实就是按年龄给对象分组，取total（累加值，小于等与当前年龄的对象总大小）最大的年龄分组，如果该分组的total大于survivor的一半，就将晋升年龄阈值更新为该分组的年龄

注意：不是是超过survivor一半就晋升，超过survivor一半只会重新设置晋升阈值（threshold），在下一次GC才会使用该新阈值

3544342K->374555K(3774912K), 0.1444710 secs] 年轻代

3544342K->374555K(10066368K), 0.1446290 secs] 全堆

从上面第一次的GC日志也可以证明这个结论，在这次GC中全堆的内存变化和年轻代内存变化是相等的，所以并没有发生对象的晋升

就像上面的日志中，第一次GC只是将threshold设置为1，因为此时survivor一半为214728704 bytes，而年龄为1的对象总和有315529928 bytes，超过了Desired survivor size，所以在本次GC后将threshold设置为年龄为1的对象年龄1

这里更新了对象晋升年龄阈值为1

Desired survivor size 214728704 bytes, new threshold 1 (max 15)
- age   1:  315529928 bytes,  315529928 total
- age   2:   40956656 bytes,  356486584 total
- age   3:    8408040 bytes,  364894624 total

这里顺便解释下这个年龄分布的输出内容：

- age 1: 315529928 bytes, 315529928 total

age 1表示年龄为1的对象分组，315529928 bytes表示年龄为1的对象占用内存大小

315529928 total这个是一个累加值，表示小于等于当前分组年龄的对象总大小。先把对象按年龄分组，age 1的分组total为age 1总大小（前面的xxx bytes），age 2的分组total为age 1 + age 2总大小，age n的分组total为age 1 + age 2 + ... +age n的总大小，累加规则如下图所示

image.png

当total最大的分组的total值超过了survivor/2时，就会更新晋升阈值

在第二次年轻代GC“长暂停年轻代GC日志”中，由于新的晋升年龄阈值为1，所以那些经历了一次GC并存活并且现在仍然可达（reachable）的对象们就会发生晋升了

由于此次GC发生了363M的对象晋升，所以导致了长暂停

思考

JVM中这个“动态对象年龄判定”真的是合理的吗？个人认为机制是好的，可以更好的适应不同程序的内存状况，但不是任何场景都适合，比如在本文中这个刚启动不就GC的场景下就会有问题

因为在程序刚启动时，大多数对象年龄都是0或者1，很容易出现年龄为1的大量存活对象；在这个“动态对象年龄判定”机制下，就会导致新的晋升阈值被设置为1，导致这些不该晋升的对象发生了晋升

比如程序在初始化，正在加载各种资源时发生了Young GC，加载逻辑还在执行中，很多新建的对象年龄在这次GC时还是可达的（reachable）

经历了这次GC后，这些对象年龄更新为1，但是由于“动态对象年龄判定”机制的影响，晋升年龄阈值更新为了“最大的对象年龄分组”的年龄，也就是这批刚经历了一次GC的对象们

在这次GC之后不久，资源初始化完成了，涉及的相关对象有很可能不可达了，但是由于刚才晋升年龄阈值被更新为了1，在下一次正常的Young GC这批年龄为1的对象会直接发生晋升，提前或者说错误的发生了晋升

解决方案

经查阅文档、资料，发现“动态年龄判定”这个机制并不能禁用，所以如果想解决这个问题，只有靠“绕过”这个计算规则了

动态年龄的判定，是根据Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半来判定的，那么根据这个机制解决也很简单

由于我们足够了解自己的系统，清楚的知道加载资源所需的大概内存，完全可以设定一个大于这些暂时可达的对象总和的数值来作为survivor的容量

比如上面的日志中，第一次GC后年龄为1的对象有315529928 Bytes(300M)，Desired survivor size为（survivor size /2）214728704 bytes(204M)，那么survivor就可以设置为600M以上。

不过为了稳妥，还是将survivor调到800M，这样desired survivor size就是400M左右，在第一次Young GC后，就不会因年龄为1的对象总和超过了desired survivor size而导致晋升年龄阈值的更新了，从而也就不会有提前/错误晋升而导致的GC长暂停问题

survivor不可以直接指定大小，不过可以通过-XX:SurvivorRatio这种调节比例的方式来调节survivor大小

-XX:SurvivorRatio=8

表示两个Survivor和Edgen区的比，8表示两个Survivor:Eden=2:8，即一个Survivor占新生代的1/10。

计算方式为：

Survivor Size(1) = Young Generation Size / (2+SurvivorRatio)
Eden Size = Young Generation Size / (2+SurvivorRatio) * SurvivorRatio

扩展阅读

为什么晋升300M比年轻代回收3G还要慢这么多倍
根据复制算法的特性，复制算法的时间消耗主要取决于存活对象的大小，而不是总空间的大小

比如上面4G的年轻代（实际只有Eden+S0可用），GC时只需要从GC ROOTS开始遍历对象图，将可达的对象复制至S1即可，并不需要遍历整个年轻代

在上面那次长暂停GC日志中，发生了363M的晋升，300M左右的回收，对比第一次GC基本可以得出，花费的1.5S基本上都是在晋升操作

那么为什么晋升操作这么耗时呢？

这里没有深入研究Oracle JVM实现的年轻代晋升细节，不过晋升涉及跨代复制（其实都年轻代和老年代都是heap，在复制这件事上本质上没什么区别，都是memcpy而已，只是需要额外处理的逻辑更多了）
，所需处理的逻辑会更复杂一些，比如指针的更新等操作，更耗时也是可以理解的，

本地代码模拟

这里也附上一段可以在本地模拟问题的代码，Oracle JDK7下可直接运行测试

//jdk7.。

import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;

public class PromotionTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //模拟初始化资源场景
        List<Object> dataList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            dataList.add(new InnerObject());
        }
        //模拟流量进入场景
        for (int i = 0; i < 73; i++) {
            if(i == 72){
                System.out.println("Execute young gc...Adjust promotion threshold to 1");
            }
            new InnerObject();
        }
        System.out.println("Execute full gc...dataList has been promoted to cms old space");
        //这里注意dataList中的对象在这次Full GC后会进入老年代
        System.gc();
    }
    public static byte[] createData(){
        int dataSize = 1024*1024*4;//4m
        byte[] data = new byte[dataSize];
        for (int j = 0; j < dataSize; j++) {
            data[j] = 1;
        }
        return data;
    }
    static class InnerObject{
        private Object data;

        public InnerObject() {
            this.data = createData();
        }
    }
}

jvm options

-server -Xmn400M -XX:SurvivorRatio=9 -Xms1000M -Xmx1000M -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintTenuringDistribution -XX:+PrintHeapAtGC -XX:+PrintReferenceGC -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime -XX:+UseConcMarkSweepGC

感谢大家对作者的支持，如果觉得文章不错，对大家有所帮助，大家可以帮作者点点关注+转发。