"生产环境Full GC频繁,RT超过3秒,该如何优化?" "面试官:讲讲你对CMS GC的理解?" "为什么堆内存还有40%,却频繁发生GC?"

如果你也曾被这些问题困扰,那这篇文章正是为你准备的。

开篇:一个真实的生产事故

凌晨3点,运维紧急电话打来:

"线上订单系统响应超时,监控面板一片飘红..."

登录系统一看,触目惊心:

• GC频率: 2分钟一次Full GC
• RT: P99从200ms飙升到3000ms
• CPU: GC线程占用80%
• 内存: Old区使用率不断攀升

这是一个典型的GC问题,但背后的原因可能有很多:

• 内存泄漏?
• 代码缺陷?
• GC参数配置不当?
• 还是别的什么原因?

让我们通过9个真实案例,深入探究CMS GC的各种问题场景,建立系统的GC问题诊断和优化方法。

为什么要写这篇文章?

在我10年+的Java开发生涯中,遇到最多的就是GC问题。每次面试必问的也是GC。但网上的GC文章要么太浅,要么太深,很少有完整的案例分析。

这篇文章将从实战出发:

• 9个真实案例剖析
• 每个案例都包含问题表现、底层原因、最佳实践
• 配合源码级讲解
• 完整的优化方案

无论你是初学者还是老手,都能从这篇文章中获得成长。

阅读指南

本文较长(预计阅读时间30分钟),建议:

1. 先看目录,选择感兴趣的场景
2. 准备好JVM工具:jstat、jmap、MAT等
3. 动手实践,准备测试程序
4. 收藏本文,便于日后查阅

让我们开始这段探索之旅吧!

九种CMS GC问题分析与解决方案详解

一、动态扩容引起的空间震荡

问题表现

• 服务刚启动时GC次数较多
• 最大空间有剩余但仍发生GC
• GC Cause显示"Allocation Failure"
• 每次GC后堆内存空间会被调整

底层原因

// JVM动态扩容的核心代码
void ConcurrentMarkSweepGeneration::compute_new_size() {
    // 如果增量收集失败,直接扩容到最大值
    if (incremental_collection_failed()) {
        grow_to_reserved();
        return;
    }
    
    // 根据当前使用情况计算新的大小
    CardGeneration::compute_new_size();
}

问题在于:

• -Xms和-Xmx设置不一致
• 初始化时只分配-Xms大小空间
• 每次空间不足时要向OS申请内存
• 申请内存过程中必然触发GC

解决方案

1. 设置-Xms和-Xmx相等,避免动态扩容
2. 合理设置-XX:MinHeapFreeRatio和-XX:MaxHeapFreeRatio
3. 预估容量,给JVM足够的初始空间

二、显式GC的去与留

问题表现

• System.gc()导致的Full GC
• 频繁GC但每次回收量不大
• GC日志中出现"System.gc()"

底层原因

public static void gc() {
    boolean shouldRunGC;
    synchronized(LOCK) {
        shouldRunGC = justRanFinalization;
        if (shouldRunGC) {
            justRanFinalization = false;
        } else {
            runFinalization();
        }
    }
    if (shouldRunGC) {
        runGC();
    }
}

显式GC的问题:

• 会触发Full GC,STW时间长
• 打断CMS的并发收集
• 影响系统的吞吐量

解决方案

1. 通过-XX:+DisableExplicitGC禁用System.gc()
2. 使用-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent将System.gc()转为CMS GC
3. 代码优化,避免调用System.gc()

三、MetaSpace区OOM

问题表现

• MetaSpace空间耗尽
• 出现OOM异常
• 伴随着频繁的Full GC

底层原因

// MetaSpace的类加载机制
class ClassLoader {
    protected Class<?> loadClass(String name) 
        throws ClassNotFoundException {
        // 1. 查找已加载的类
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            // 2. 尝试加载新类
            c = findClass(name);
            // 3. 存储到MetaSpace
            defineClass(name, b, 0, b.length);
        }
        return c;
    }
}

MetaSpace问题常见原因:

• 动态生成类导致类元数据信息过多
• ClassLoader泄漏
• 反射、动态代理使用不当

解决方案

1. 设置合理的MetaSpace大小

-XX:MetaspaceSize=128m
-XX:MaxMetaspaceSize=256m

2. 排查类加载和卸载情况
3. 检查是否存在ClassLoader泄漏
4. 合理使用动态代理等反射机制

四、过早晋升

问题表现

• Young GC频繁
• 对象过早进入老年代
• 老年代空间增长过快

底层原因

// 动态年龄计算
if (age < MaxTenuringThreshold) {
    // 计算当前age及以下的对象总大小
    size_t total = 0;
    for (int i = age; i >= 0; --i) {
        total += sizes[i];
        if (total > survivor_capacity/2) {
            result = i;
            break;
        }
    }
}

过早晋升原因:

• Survivor空间过小
• MaxTenuringThreshold设置过小
• 动态年龄判定导致过早晋升

解决方案

1. 调整新生代大小

-XX:NewRatio=4
-XX:SurvivorRatio=8

2. 调整对象晋升年龄

-XX:MaxTenuringThreshold=15 

3. 关注动态年龄计算
4. 检查是否存在大对象直接进入老年代

五、CMS Old GC频繁

问题表现

• Old区频繁执行CMS GC
• GC日志中出现大量"CMS Initial Mark"和"CMS Final Remark"
• 每次回收效果不佳

底层原因

// CMS GC触发条件
void CMSCollector::shouldConcurrentCollect() {
    // 判断是否需要触发CMS GC
    if (_cmsGen->should_concurrent_collect()) {
        // 1. 根据空间占用率判断
        if (_cmsGen->occupancy() >= _bootstrap_occupancy) {
            return true;
        }
        
        // 2. 根据增长率判断
        if (isGrowingTooFast()) {
            return true;  
        }
    }
}

主要原因:

• CMS启动阈值过高
• 空间碎片化严重
• 对象分配速率过快
• 浮动垃圾过多

解决方案

1. 调整CMS触发阈值

// 降低触发阈值,提前启动GC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=68
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

2. 增大Old区空间

-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5000  

3. 开启空间碎片整理

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0

六、单次CMS Old GC耗时长

问题表现

• CMS GC单次停顿时间长
• 出现较长的STW时间
• Final Remark阶段耗时过长

底层原因

// CMS Final Remark阶段的核心代码
void CMSCollector::checkpointRootsFinalWork() {
    // 1. 处理Reference
    ReferenceProcessor::processReferences();
    
    // 2. 类卸载
    if (should_unload_classes()) {
        ClassUnloadingWork();
    }
    
    // 3. 清理符号表
    SymbolTable::clean_up();
}

耗时原因:

• Reference处理慢
• Class卸载耗时长
• Symbol Table清理慢
• 新生代状态不稳定

解决方案

1. 优化Reference处理

// 开启并行Reference处理
-XX:+ParallelRefProcEnabled

2. 控制Class卸载

// 关闭类卸载
-XX:-CMSClassUnloadingEnabled

3. 稳定新生代状态

// Final Remark前强制Young GC
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

七、内存碎片&收集器退化

问题表现

• CMS退化为Serial Old收集器
• 出现"Promotion Failed"或"Concurrent Mode Failure"
• Full GC频繁发生

底层原因

// CMS并发失败处理
void ConcurrentMarkSweepGeneration::collect_in_background() {
    if (shouldConcurrentCollect()) {
        // 并发收集失败,退化为Serial收集
        if (_foregroundGCIsActive) {
            collectSerially();
            return;
        }
        // 执行并发收集
        collectConcurrently();
    }
}

退化原因:

• 空间碎片化严重
• 并发模式失败
• 晋升失败
• 显式GC触发

解决方案

1. 控制碎片率

// 配置碎片整理
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=10

2. 调整并发参数

// 增加并发线程
-XX:ConcGCThreads=4
// 提前启动CMS
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=68

3. 预留足够空间

// 增大老年代空间
-Xmx4g -Xms4g

八、堆外内存OOM

问题表现

• 进程内存超出堆内存限制
• 出现Direct Memory OOM
• 堆外内存增长快速

底层原因

// DirectByteBuffer分配堆外内存
class DirectByteBuffer {
    DirectByteBuffer(int cap) {
        // 通过Unsafe分配本地内存
        base = unsafe.allocateMemory(size);
        // 通过Cleaner管理内存回收
        cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size));
    }
}

OOM原因:

• DirectByteBuffer使用不当
• 堆外内存泄漏
• JNI调用未释放
• 本地内存过大

解决方案

1. 限制DirectMemory大小

-XX:MaxDirectMemorySize=256M

2. 检查DirectByteBuffer使用
3. 排查JNI调用
4. 开启NMT监控

-XX:NativeMemoryTracking=detail

九、JNI引发的GC问题

问题表现

• GC Locker导致的GC
• Young GC停顿时间变长
• 对象过早晋升

底层原因

// GC Locker机制
class GCLocker {
    static void lock() {
        // 阻止GC发生
        _needs_gc = true;
        _jni_lock_count++;
    }
    
    static void unlock() {
        _jni_lock_count--;
        if (_jni_lock_count == 0 && _needs_gc) {
            // 触发一次GC
            Universe::heap()->collect();
        }
    }
}

问题原因:

• JNI临界区阻塞GC
• 触发额外的GC
• 导致对象提前晋升

解决方案

1. 优化JNI代码

• 减少JNI调用时间
• 避免在JNI中长时间持有锁

2. 添加GC参数

// 打印JNI引起的GC信息
-XX:+PrintJNIGCStalls

3. 调整堆内存配置

// 增大新生代空间
-XX:NewSize=256m
-XX:MaxNewSize=256m

写在最后

以上九种CMS GC问题是最常见的场景,关键是:

1. 建立完善的监控体系
2. 保留现场和日志信息
3. 掌握问题分析方法
4. 积累优化调优经验

记住一句话:

"GC优化不是目的,解决业务问题才是根本。"

#Java性能优化 #GC调优 #JVM