垃圾回收器机制（三）：正确姿势解读GC日志

年轻代log解读

年轻代以ParNew收集器为例, 采用的是复制算法, log如下：

2019-02-01T21:18:15:00.382+0800: 718675.758: Application time: 0.7177964 seconds
{Heap before GC invocations=65632 (full 18):par new generation   total 471872K, used 421490K [0x0000000080000000, 0x00000000a0000000, 0x00000000a0000000)eden space 419456K, 100% used [0x0000000080000000, 0x00000000999a0000, 0x00000000999a0000)from space 52416K,   3% used [0x00000000999a0000, 0x0000000099b9c830, 0x000000009ccd0000)to   space 52416K,   0% used [0x000000009ccd0000, 0x000000009ccd0000, 0x00000000a0000000)concurrent mark-sweep generation total 1572864K, used 905696K [0x00000000a0000000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)Metaspace       used 104594K, capacity 113116K, committed 113664K, reserved 1148928Kclass space    used 12280K, capacity 13738K, committed 13824K, reserved 1048576K2019-02-01T18:15:00.383+0800: 718675.758: [GC (Allocation Failure) 2019-02-01T18:15:00.384+0800: 718675.759: [ParNew: 109872K->5255K(118016K), 0.0211147 secs] 142365K->37748K(511232K), 0.0212949 secs] [Times: user=0.26 sys=0.04, real=0.02 secs]

其中:
*Heap before GC invocations=65632 (full 18): invocations=65632表示经历的gc的次数 full 18表示经历的full gc的次数

2019-02-01T18:15:00.383：发生minor gc的时间
718675.758：GC时、相对GVM启动时间的偏移量
ParNew 收集器的名称 , 会STW(https://www.jianshu.com/p/d07194a20ec1)
109872K->5255K：收集前后年轻代的使用情况
118016K：整个年轻代的容量
0.0211147 secs： stw的时间
142365K->37748K：GC前后整个堆的使用情况
511232K：整个堆的容量
0.0212949 secs：ParNew 收集器标记和复制年轻代活着的对象所花费的时间(包括和老年代通信的开销、对象晋升到老年代开销、垃圾收集周期结束一些最后的清理对象等的花销)
user：GC 线程在垃圾收集期间所使用的 CPU 总时间
sys：系统调用或者等待系统事件花费的时间
real: 应用被暂停的时钟时间、由于GC是多线程的、real可能会小于 user+sys, 如果是单线程的、real是接近 user+sys的时间的

CMS log 大致解读

2018-04-12T13:48:26.233+0800: 15578.148: [GC [1 CMS-initial-mark: 6294851K(20971520K)] 6354687K(24746432K), 0.0466580 secs] [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs]
2018-04-12T13:48:26.280+0800: 15578.195: [CMS-concurrent-mark-start]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.333: [CMS-concurrent-mark: 0.138/0.138 secs] [Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.334: [CMS-concurrent-preclean-start]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-preclean: 0.056/0.057 secs] [Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
2018-04-12T13:48:29.989+0800: 15581.905: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 3.506/3.514 secs] [Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]
2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC[YG occupancy: 1805641 K (3774912 K)]2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [ParNew: 1805641K->48395K(3774912K), 0.0826620 secs] 8100493K->6348225K(24746432K), 0.0829480 secs] [Times: user=0.81 sys=0.00, real=0.09 secs]2018-04-12T13:48:30.074+0800: 15581.989: [Rescan (parallel) , 0.0429390 secs]2018-04-12T13:48:30.117+0800: 15582.032: [weak refs processing, 0.0027800 secs]2018-04-12T13:48:30.119+0800: 15582.035: [class unloading, 0.0033120 secs]2018-04-12T13:48:30.123+0800: 15582.038: [scrub symbol table, 0.0016780 secs]2018-04-12T13:48:30.124+0800: 15582.040: [scrub string table, 0.0004780 secs] [1 CMS-remark: 6299829K(20971520K)] 6348225K(24746432K), 0.1365130 secs] [Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs]
2018-04-12T13:48:30.128+0800: 15582.043: [CMS-concurrent-sweep-start]
2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.553: [GC2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.554: [ParNew: 3403915K->52142K(3774912K), 0.0874610 secs] 4836483K->1489601K(24746432K), 0.0877490 secs] [Times: user=0.84 sys=0.00, real=0.09 secs]
2018-04-12T13:48:38.412+0800: 15590.327: [CMS-concurrent-sweep: 8.193/8.284 secs] [Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]
2018-04-12T13:48:38.419+0800: 15590.334: [CMS-concurrent-reset-start]
2018-04-12T13:48:38.462+0800: 15590.377: [CMS-concurrent-reset: 0.044/0.044 secs] [Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs]

由于CMS涉及的阶段比较多、分阶段来说下~

初始标记 initial mark阶段

STW中的一次、为了标记直接被GC root引用或者年轻代 存活对象引用的所有对象(https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-algorithms-implementations#concurrent-mark-and-sweep)

上述示例的对应信息为：

2018-04-12T13:48:26.233+0800: 15578.148: [GC [1 CMS-initial-mark: 6294851K(20971520K)] 6354687K(24746432K), 0.0466580 secs] [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs]

其中：

2018-04-12T13:48:26.233+0800：GC开始时间(同 ParNew收集器)
15578.148：JVM运行时间(同 ParNew收集器)
CMS-initial-mark：CMS当前阶段(这里代表 初始标记)
6294851K：当前老年代使用的容量
(20971520K)：老年代可使用的最大容量
6354687K：整个堆目前使用的情况
(24746432K)：整个堆当前可用情况
0.0466580 secs：该阶段持续时间
[Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs] 同 ParNew收集器

并发标记阶段(Concurrent Mark)

遍历老年代，然后标记所有存活的对象、会根据上个阶段找到的 GC Roots 遍历查找，与用户的应用程序并发运行
注意不是所有的老年代存活对象都会被标记、因为在标记期间引用关系可能会发生改变(https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-algorithms-implementations#concurrent-mark-and-sweep)、

与上图对比可用发现已经有一个对象的引用关系发生了改变

本阶段log如下：

2018-04-12T13:48:26.280+0800: 15578.195: [CMS-concurrent-mark-start]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.333: [CMS-concurrent-mark: 0.138/0.138 secs] [Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]
CMS-concurrent-mark: 并发收集阶段, 遍历老年代、标记所有存活对象

0.138/0.138 secs这个阶段的持续时间与时钟时间

[Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]：同上、但是从并发标记的开始时间计算的、期间是并发进行、所以参考意义不大(包含的不仅仅是gc线程的工作)

并发预清理(concurrent preclean)

也是一个并发阶段，与应用的线程并发运行，不会 stop应用的线程
在并发运行的过程中、一些对象的引用可能会发生变化、发生这种情况时、jvm会将这个对象的区域Card标记为Dirty，也就是Card Marking

在 preclean阶段、能够从Dirty对象可到达的对象也会被标记、标记完成之后、Dirty Card就会被清除了、

这个阶段的log如下：

2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.334: [CMS-concurrent-preclean-start]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-preclean: 0.056/0.057 secs] [Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]
CMS-concurrent-preclean 阶段名称、对前边并发标记阶段中引用发生变化的对象进行标记
0.056/0.057 secs 这个阶段持续的时间与时钟时间
[Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs] 同并发标记阶段

可中止的并发预清理(Concurrent Abortable Preclean)

并发 & 不影响用户线程, 是为了尽量承担STW中的最终标记阶段的工作，这个阶段是在重复做很多相同的工作，直接满足一些条件（比如：重复迭代的次数、完成的工作量或者时钟时间等）
log如下：

2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
2018-04-12T13:48:29.989+0800: 15581.905: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 3.506/3.514 secs] [Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]
CMS-concurrent-abortable-preclean阶段名称
3.506/3.514 secs通常在5s左右、
[Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]同预清理阶段
主要做了两件事：

处理 From 和 To 区的对象，标记可达的老年代对象
和上一个阶段一样，扫描处理Dirty Card中的对象

具体执行多久，取决于许多因素，满足其中一个条件将会中止运行：

执行循环次数达到了阈值
执行时间达到了阈值
新生代Eden区的内存使用率达到了阈值

最终标记阶段(Final Remark)

第二个 STW阶段, 也是最后一个、目标是标记所有老年代所有的存活对象，由于之前的阶段是并发执行的，gc 线程可能跟不上应用程序的变化，为了完成标记老年代所有存活对象的目标，STW 就非常有必要了，通常 CMS 的 Final Remark 阶段会在年轻代尽可能干净的时候运行，目的是为了减少连续 STW 发生的可能性（年轻代存活对象过多的话，也会导致老年代涉及的存活对象会很多）。这个阶段会比前面的几个阶段更复杂一些，相关日志如下：

2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906:
[GC[YG occupancy: 1805641 K (3774912 K)]2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [ParNew: 1805641K->48395K(3774912K), 0.0826620 secs] 8100493K->6348225K(24746432K), 0.0829480 secs] [Times: user=0.81 sys=0.00, real=0.09 secs]2018-04-12T13:48:30.074+0800: 15581.989: [Rescan (parallel) , 0.0429390 secs]2018-04-12T13:48:30.117+0800: 15582.032: [weak refs processing, 0.0027800 secs]2018-04-12T13:48:30.119+0800: 15582.035: [class unloading, 0.0033120 secs]2018-04-12T13:48:30.123+0800: 15582.038: [scrub symbol table, 0.0016780 secs]2018-04-12T13:48:30.124+0800: 15582.040: [scrub string table, 0.0004780 secs] [1 CMS-remark: 6299829K(20971520K)] 6348225K(24746432K), 0.1365130 secs] [Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs]
YG occupancy: 1805641 K (3774912 K) 年轻代当前占用量及容量
ParNew:...触发了一次young gc, 触发的原因是为了减少年轻代的存活对象、尽量是年前代干净一些
[Rescan (parallel) , 0.0429390 secs] 这个 Rescan 是当应用暂停的情况下完成对所有存活对象的标记，这个阶段是并行处理的，这里花费了 0.0429390s
[weak refs processing, 0.0027800 secs] 第一个子阶段，它的工作是处理弱引用
[class unloading, 0.0033120 secs] 删除无用class
[scrub symbol table, 0.0016780 secs] ... [scrub string table, 0.0004780 secs] 最后一个子阶段, cleaning up symbol and string tables which hold class-level metadata and internalized string respectively
6299829K(20971520K) 这个阶段之后，老年代的使用量与总量
6348225K(24746432K)这个阶段后，堆的使用量与总量
0.1365130 secs阶段持续时长
[Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs]对应时间信息

并发清理(Concurrent Sweep)

不需要 STW，它是与用户的应用程序并发运行, 清除那些不再使用的对象，回收它们的占用空间为将来使用(https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-algorithms-implementations#concurrent-mark-and-sweep)

log如下(这中间又发生了一次 Young GC)：

2018-04-12T13:48:30.128+0800: 15582.043: [CMS-concurrent-sweep-start]
2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.553: [GC2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.554: [ParNew: 3403915K->52142K(3774912K), 0.0874610 secs] 4836483K->1489601K(24746432K), 0.0877490 secs] [Times: user=0.84 sys=0.00, real=0.09 secs]
2018-04-12T13:48:38.412+0800: 15590.327: [CMS-concurrent-sweep: 8.193/8.284 secs] [Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]

*CMS-concurrent-sweep 阶段名称: 主要是清除那些没有被标记的对象，回收它们的占用空间

8.193/8.284 secs 这个阶段的持续时间与时钟时间
[Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs] 同上

并发重置(Concurrent Reset)

这个阶段也是并发执行的，它会重设 CMS 内部的数据结构，为下次的 GC 做准备

2018-04-12T13:48:38.419+0800: 15590.334: [CMS-concurrent-reset-start]
2018-04-12T13:48:38.462+0800: 15590.377: [CMS-concurrent-reset: 0.044/0.044 secs] [Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs]

*CMS-concurrent-reset 阶段名称

0.044/0.044 secs 这个阶段的持续时间与时钟时间
[Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs] 同上

小结：

CMS 通过将大量工作分散到并发处理阶段来在减少 STW 时间，在这块做得非常优秀，但是 CMS 也有一些其他的问题：

CMS 收集器无法处理浮动垃圾（ Floating Garbage），可能出现 “Concurrnet Mode Failure” 失败而导致另一次 Full GC 的产生，可能引发串行 Full GC；
空间碎片，导致无法分配大对象，CMS 收集器提供了一个 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 开关参数（默认就是开启的），用于在 CMS 收集器顶不住要进行 Full GC 时开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间不得不变长；
对于堆比较大的应用上，GC 的时间难以预估

so. G1开始兴起、

由于G1采用复制算法、很好的避免了 空间碎片

采用region分区思想、解决了停顿时长可控

不过貌似并没有从根源上解决浮动垃圾的问题~~