这是”成为GC专家系列”文章的第二篇。在第一篇理解Java垃圾回收中我们学习了几种不同的GC算法的处理过程，GC的工作方式，新生代与老年代的区别。到目前为止，你应该已经了解了JDK 7中的5种GC类型，以及每种GC对性能的影响。
在本篇中，我将介绍JVM在真实环境中如何运行GC的。
什么是GC监控
GC监控 指的是在运行时跟踪JVM运行GC的过程。例如，通过GC监控，我们能找出：
- 何时新生代的对象会被移动到老年代，有多少对象被移到了老年代。
- 何时stop-the-world发生以及持续时间。
通过GC监控，能发现JVM是否在有效的运行GC以及是否需要额外的GC调优。基于这些信息，我们可以通过优化应用或者改变GC运行方式(GC调优)，从而提高应用性能。
如何做GC监控
GC监控的方式很多，区别在于GC操作信息的展示会有所不同。GC是由JVM触发，因为GC监控工具展示的信息都是由JVM提供，所以不管使用哪种方式做GC监控，最终获取的信息都是一致的。因此，没有必要深入学习每种GC监控工具，只需要花些时间学习每种工具的使用方法，能够在不同的场合选择合适的工具即可。
因为JVM规范没有要求暴露GC信息的标准方法，所以下面列出的工具或JVM选项并不能适用于所有不同的JVM实现。在下面的介绍中都是基于Hotspot JVM(Oracle JVM)进行。因为NHN使用的是Oracle(Sun) JVM，所以在使用以下工具或JVM选项时并不会太困难。
首先，GC监控工具根据访问接口和方式不同分为CUI和GUI。经典的CUI 工具可以使用一个单独的CUI应用jstat，也可以在运行JVM时通过提供”-verbosegc“选项来实现。
GUI GC监控工具通过单独的GUI应用来实现，后面会介绍三个常用的GUI GC工具：jconsole, jvisualvm和Visual GC。
下面开始学习每一种GC监控方法：
jstat
jstat是Hotspot JVM内置的监控工具。Hotspot JVM还内置了其他监控工具如jps和jstatd。有时候需要这三种工具一起来监控Java应用的运行。
jstat 不只提供GC操作的相关信息，也还提供类加载和即时编译器相关的操作信息。尽管如此，本文我们只会涉及jstat提供的GC操作相关的功能。
jstat 位于$JDK_HOME/bin目录，如果java或javac命令能够正常运行，jstat命令也应该能够运行。
你可以在命令行中尝试一下：
$> jstat –gc $<vmid$> 1000 S0C S1C S0U S1U EC EU OC OU PC PU YGC YGCT FGC FGCT GCT 3008.0 3072.0 0.0 1511.1 343360.0 46383.0 699072.0 283690.2 75392.0 41064.3 2540 18.454 4 1.133 19.588 3008.0 3072.0 0.0 1511.1 343360.0 47530.9 699072.0 283690.2 75392.0 41064.3 2540 18.454 4 1.133 19.588 3008.0 3072.0 0.0 1511.1 343360.0 47793.0 699072.0 283690.2 75392.0 41064.3 2540 18.454 4 1.133 19.588 $>
如上所示，真实的内存各部分数据情况按以下各列顺序列出：
SOC S1C S0U S1U EC EU OU PC
vmid(虚拟机id: Virtual Machine ID)，见名示意，表示VM的ID。运行在本地或远程的虚拟机都可以通过vmid指定。运行在本地虚拟机上的Java应用的vmid又称为lvmid(Local vmid)，通常与PID相同。虽然可以通过ps命令或Windows的任务管理器查看PID的值从而得到lvmid，但更推荐使用jps，因为PID和lvmid之间并不总是一一对应。jps表示Java PS。正如ps命令可以看到PIDs和进程名，通过jps可以看到vmids和main方法信息。
通过jps找到你要监控的Java应用的vmid，然后作为jstat的参数即可。如果多个WAS实例运行在同一设备上时，如果只使用jps命令只能找到引导程序的信息。这时候就要ps -ef | grep java命令和jps命令一起使用。
GC性能数据需要持续观察，因此在运行jstat时需要定时输出GC的监控信息。
举例来说：运行jstat -gc <vmid> 1000(or 1s)将会每隔1s在控制台上输出一次GC数据。jstat -gc <vmid> 1000 10将会每隔1s输出一次GC数据，总共输出10次。
与GC相关的选项除了-gc，还有其他一些，如下表所示：
| 选项名称 | 描述 |
|---|---|
| gc | 输出堆空间上各分区当前的大小及使用量(Ede, Survivor, Old等)，GC执行的总次数以及累积消耗的执行时长。 |
| gccapacity | 输出堆空间上各分区的最小和最大容量，当前大小，每个区上的GC执行次数(不输出当前使用量和累积的GC耗时)。 |
| gccause | 除了输出 -gcutil提供的信息外，还会输出最后一次GC和当前GC的原因。 |
| gcnew | 新生代上的GC性能数据。 |
| gcnewcapacity | 新生代容量的统计信息。 |
| gcold | 老年代的GC性能数据。 |
| gcoldcapacity | 老年代容量的统计信息。 |
| gcpermcapacity | 持久代(方法区)上的统计信息。 |
| gcutil | 以%的格式输出每个分区的使用量。同时也会输出GC执行的总次数及累积耗时。 |
如果只关心GC频率，通常使用-gcutil(或者 -gccause), -gc, -gccapacity即可。
- -gcutil 用于检测各区上的使用量，GC执行次数以及累积耗时，
- -gccapacity 和其他的几个选项可用于输出实际已分配的内存大小。
使用-gc选项的输出如下：
S0C S1C … GCT 1248.0 896.0 … 1.246 1248.0 896.0 … 1.246 … … … …
给jstat指定不同的选项会列出不同的列，如下列所示。表格右侧列出了会输出此信息的jstat选项。
| 数据列 | 描述 | 支持的jstat 选项 |
|---|---|---|
| S0C | Survivor0的当前容量 | -gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity |
| S1C | S1的当前容量 | -gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity |
| S0U | S0的使用量 | -gc -gcnew |
| S1U | S1的使用量 | -gc -gcnew |
| EC | Eden区的当前容量 | -gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity |
| EU | Eden区的使用量 | -gc -gcnew |
| OC | old区的当前容量 | -gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity |
| OU | old区的使用量 | -gc -gcnew |
| PC | 方法区的当前容量 | -gc -gccapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity |
| PU | 方法区的使用量 | -gc -gcold |
| YGC | Young GC次数 | -gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause |
| YGCT | Young GC累积耗时 | -gc -gcnew -gcutil -gccause |
| FGC | Full GC次数 | -gc -gccapacity -gcnew -gcnewcapacity -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause |
| FGCT | Full GC累积耗时 | -gc -gcold -gcoldcapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause |
| GCT | GC总的累积耗时 | -gc -gcold -gcoldcapacity -gccapacity -gcpermcapacity -gcutil -gccause |
| NGCMN | 新生代最小容量 | -gccapacity -gcnewcapacity |
| NGCMX | 新生代最大容量 | -gccapacity -gcnewcapacity |
| NGC | 新生代当前容量 | -gccapacity -gcnewcapacity |
| OGCMN | 老年代最小容量 | -gccapacity -gcoldcapacity |
| OGCMX | 老年代最大容量 | -gccapacity -gcoldcapacity |
| OGC | 老年代当前容量 | -gccapacity -gcoldcapacity |
| PGCMN | 方法区最小容量 | -gccapacity -gcpermcapacity |
| PGCMX | 方法区最大容量 | -gccapacity -gcpermcapacity |
| PGC | 方法区当前容量 | -gccapacity -gcpermcapacity |
| PC | 方法区的当前容量 | -gccapacity -gcpermcapacity |
| PU | 方法区使用量 | -gccapacity -gcold |
| LGCC | 上一次GC发生的原因 | -gccause |
| GCC | 当前GC发生的原因 | -gccause |
| TT | 存活阀值，如果对象在新生代移动次数超过此阀值，则会被移到老年代 | -gcnew |
| MTT | 最大存活阀值，如果对象在新生代移动次数超过此阀值，则会被移到老年代 | -gcnew |
| DSS | survivor区的理想容量 | -gcnew |
表格中容量数量单位为：KB
jstat的优点在于不管是本地还是远程Java应用，你都可以通过jstat命令查看GC操作相关的数据，并通过控制台输出这些信息。在使用-gcutil选项时，会输出如下字段的信息。在做GC调优时，尤其要关注YGC, YGCT, FGC, FGCT和GCT的数据变化。
S0 S1 E O P YGC YGCT FGC FGCT GCT 0.00 66.44 54.12 10.58 86.63 217 0.928 2 0.067 0.995 0.00 66.44 54.12 10.58 86.63 217 0.928 2 0.067 0.995 0.00 66.44 54.12 10.58 86.63 217 0.928 2 0.067 0.995
这些信息非常重要，它统计了GC运行时的耗时情况，能反映出GC的性能指标。
在上例中，YGC是217次, YGCT为0.928，平均下来每次young GC耗时4ms(0.004 s)。同样可算出full GC的平均耗时为33ms。
然而平均值对发现实现的GC问题并没有太大的帮助，因为每次GC耗时通常会有巨大的偏差(也就是说，如果full GC的平均值为0.067s，可能意味着其中一次GC耗时1ms，而另外一次持续134ms)。为了能观察每次GC的独立耗时而非平均值，更好的方式是使用-verbosegc。
-verbosegc
-verbosegc 是运行Java应用时的一个JVM选项。jstat可以监控任何JVM应用而无需指定启动参数，-verbosegc去要在开启应用时就指定好，所以看起来-verbosegc并不是一个必要的选项(因为可以使用jstat完成相同工作)。然而当GC发生时-verbosegc的输出信息更容易理解，这对于监控烦杂的GC信息却大于益处。
| jstat | -verbosegc | |
|---|---|---|
| 监控目标 | 可输出日志到终端上的Java应用或者能通过jstatd连接到网络的远程Java应用 | 在启动JVM时指定了-verbosegc 参数的Java应用 |
| 输出信息 | 堆状态(使用量、最大容量、GC次数及累积耗时等) | 每次GC前后新生代和老年代的容量变化及GC耗时 |
| 输出时机 | 任何指定的时间 | 任何GC发生时 |
| 优势 | 方便连续观察堆大小的变化 | 观察单次GC对系统的影响 |
在使用-verbosegc时还可同时指定以下附加选项：
- -XX:+PrintGCDetails
- -XX:+PrintGCTimeStamps
- -XX:+PrintHeapAtGC
- -XX:+PrintGCDateStamps(JDK6U4引入的选项)
如果只是指定了-verbosegc选项，则默认会同时指定-XX:+PrintGCDetails。另外，-verbosegc的附加选项都可以组合使用。
使用-verbosegc后，当有minor GC发生时，输出的数据格式如下：
[GC [<collector>: <starting occupancy1> -> <ending occupancy1>, <pause time1> secs] <starting occupancy3> -> <ending occupancy3>, <pause time3> secs]
| 字段 | 含义 | |
|---|---|---|
| Collector | 使用的收集器 | |
| starting occupancy1 | GC发生前的新生代大小 | |
| ending occupancy1 | GC后新生代的大小 | |
| pause time1 | 执行minor GC时Java应用停顿的时长 | |
| starting occupancy3 | GC发生前堆空间总大小 | |
| ending occupancy3 | GC发生后堆空间总大小 | |
| pause time3 | 执行总体GC(包括Full GC)时Java应用停顿时长 | |
下面是一个Full GC输出的例子：
[Full GC [Tenured: 3485K->4095K(4096K), 0.1745373 secs] 61244K->7418K(63104K), [Perm : 10756K->10756K(12288K)], 0.1762129 secs] [Times: user=0.19 sys=0.00, real=0.19 secs]
如果使用了[CMS回收算法]()，CMS相关信息也会紧接着提供出来。
因为-verbosegc选项可以把每次GC发生时的信息都以log方式输出，所以很容易观察GC操作关后heap使用率的变化情况。
(Java) VisualVM + Visual GC
Java Virsual VM是Oracle JDK提供的一个GUI式的图表/监控工具。
图1：VirsualVM 界面
与内置在JDK中的版本不同，你可以在网站上单独下载Virsual VM。方便起见，JDK内置的版本称为Java VirsualVM(jvisualvm)，从网站上单独下载的称为Virsual VM(visualvm)。二者之间的特性并不完全一致，在一些方面(例如安装插件等)会有细微的差别。就我个人而言，更偏向于使用单独下载的Virsual VM。
启动Visual VM后，如果你左侧面板上选择了希望监控的应用，就会看到”Monitoring”一栏。从Monitoring栏中可以获得关于GC和内存堆的基本信息。
尽管能通过Visual VM的基本特性得到GC的基本状态，但并不能像使用jstat和-verbosegc一样获得更详细的信息。
如果想得到像jstat一样的详细信息，则需要安装相应的Virsual VM插件。可以在Tools菜单里获取Virsual GC插件。
图2：Virsual GC安装界面
通过Virsual GC，可以以更直观的方式获得jstatd提供的信息。
图3：Virsual GC运行界面
HPJMeter
HPJMeter是一个分析-verbosegc输出结果的便捷工具。如果把Visual GC看作是jstat的GUI版本，那么HPJMeter则是-verbosegc的GUI版本。话说回来，GC分析只是HPJMeter提供的众多特性之一。HPJMeter是HP公司开发的一款性能监控工具，可以使用在HP-UX，Linux和MS Windows上。
起初，只是一款叫做HPTune的工具提供GUI的方式分析-verbosegc。自从HPJMeter 3.0开始便集成了HPTune，因此无需再单独下载HPTune。
在应用运行过程中，-verbosegc的输出结果可以重定向到一个单独的文件中。
可以通过HPJMeter打开该文件，然后使用直观的GUI界面便捷的分析GC数据。
图4：HPJMeter
下章介绍
本章作为GC调优的铺垫，着重于介绍了如何进行GC信息监控。一般情况我比较建议先使用jstat观察GC操作，当发现有比较耗时的GC后，再通过-verbosegc来分析GC数据。因此GC调优的一般过程就是分析和对比使用不同GC选项后-verbosegc输出结果的变化。下章将会通过真实案例来介绍进行GC调优的最佳选项。
作者：Sangmin Lee, 性能实验室高级工程师，NHN公司