1.4　算法、GC與診斷工具

1.4.1　算法

“算法”（algorithm）一詞得名于波斯數學家花拉子密。公元9世紀，這位數學家寫過一本書，討論用紙筆解決數學問題的技巧。書名為al-Jabr wa’l-Muqabala，其中，“al-jabr”就是后來“algebra”（代數）這個詞的前身。不過，最早的數學算法早于花拉子密。在巴格達附近出土的4000年前的蘇美爾人的泥板文獻上，就刻有一幅長除法示意圖。

但是，算法不僅限于數學。當按照食譜介紹烤面包時，食譜上的所有步驟就是一個算法。當按照圖樣編織毛衣時，這份圖樣就是一個算法。使用鹿角的末端連續精確地敲打，使石器形成鋒利的刃的過程（這是制作精密石器的一個關鍵步驟），也遵循著一個算法。從石器時代開始，算法就已經是人類生活的一部分了。

——《算法之美》[美]布萊恩·克里斯汀；[美]湯姆·格里菲思　著

在Java編程中，大部分程序員所接觸的算法與數學并不相關，一些數學題在工作上很難體現出意義，但并不是說算法就毫無意義了，相反，算法在Java程序優化的過程中有著舉足輕重的地位。大多數時候，算法與GC和業務邏輯息息相關。例如，優化循環次數、優化業務邏輯、減少內存開銷、減少從數據源處提取的數據量、每次GC都刪除更多的垃圾、把同步線程換為異步線程、把多次線程開銷優化為線程池等，以上優化皆屬于算法。

在Java編程中，算法上的經驗大多來自工作中的經驗。例如，雖然某個接口增加了緩存，但是返回速度仍然很慢，此時就需要根據Arthas之類的診斷工具配合GC相關的內容，不斷地優化自身的代碼。如果無法優化算法，則先優化業務需求，再優化算法。

1.4.2　GC

在Java中，各版本所涵蓋的GC（垃圾回收器）都不同，最著名的有三款，分別為CMS、G1和ZGC。

在JDK 1.3之前，垃圾回收是單線程回收的，并且會stop the world（下文簡稱為STW）。也就是說，在垃圾回收時，會暫停所有用戶線程。由于其運行方式是單線程的，所以適合Client模式的應用和單CPU環境。串行的GC有兩種，即Serial和SerialOld，一般會搭配使用。在年輕代使用Serial復制算法，在年老代使用Serial Old標記整理算法。客戶端應用或者命令行程序可以通過-XX:+UseSerialGC開啟上述回收模式。

G1（Garbage First）先結合OpenJDK源碼分析重要算法（如SATB）和重要存儲結構（如CSet、RSet、TLAB、PLAB、Card Table等），再梳理G1 GC的YoungGC和MixedGC的收集過程。GC的主要回收區域是年輕代、年老代和持久代。在JDK8之后，持久代被替換成元空間（Metaspace）。元空間會在普通的堆區上進行分配。為了提高垃圾回收效率，G1通常采用分代回收的方式，即對不同的回收區域使用不同的GC。在系統正常運行時，Full GC會觸發整個堆的掃描和回收（這在年輕代中是比較頻繁的）。在G1中，最好的優化狀態是不斷地調整分區空間，避免進行Full GC，以便大幅提高吞吐量。

CMS（Concurrent Mark Sweep）基于標記—刪除算法，主要用于年老代，所以其關注點在于減少因垃圾回收導致的STW時間。對于重視服務響應速度的應用可以使用CMS。CMS是并發運行的，即垃圾回收線程可以和用戶線程同時運行。

ZGC與G1和CMS的設計不同，ZGC是革命性的垃圾回收器。在JDK9之后，默認的垃圾回收器是G1，自JDK11之后，ZGC成為新的垃圾回收器，它取消了年輕代和年老代的設計模式，ZGC只把Page作為內存存儲，支持最大4TB級堆內存，最長停頓時間為10ms、吞吐量最大不超過15%。ZGC只對內存數據進行標記，而不會單獨放置在一個空間中，不會出現Full GC的情況。

1.4.3　jvmtop

jvmtop是一個輕量級的控制臺程序，可用來監控機器上運行的所有Java虛擬機，它顯示了很多JVM內部信息，如內存等，使用命令如下所示：

1.4.4　jstat

jstat可以查看堆內存各部分的使用量，以及加載類的數量，命令格式如下：

下面通過jstat查看年老代信息，即查看pid為123456的Java程序的每秒GC信息，如下所示：

在用jstat查看年老代信息后，部分顯示內容說明如下所示：

? S0C：年輕代中第一個survivor（幸存者區）的容量（字節）。

? S1C：年輕代中第二個幸存者區的容量（字節）。

? S0U：年輕代中第一個幸存者區目前已使用空間（字節）。

? S1U：年輕代中第二個幸存者區目前已使用空間（字節）。

? EC：年輕代中Eden（伊甸園）的容量（字節）。

? EU：年輕代中伊甸園目前已使用空間（字節）。

? OC：年老代的容量（字節）。

? OU：年老代目前已使用空間（字節）。

? PC：持久代的容量（字節）。

? PU：持久代目前已使用空間（字節）。

? YGC：從應用程序啟動到采樣時年輕代中的垃圾回收次數。

? YGCT：從應用程序啟動到采樣時年輕代的垃圾回收所用時間（s）。

? FGC：從應用程序啟動到采樣時年老代的（Full GC）垃圾回收次數。

? FGCT：從應用程序啟動到采樣時年老代的（Full GC）垃圾回收所用時間（s）。

? GCT：從應用程序啟動到采樣時垃圾回收所用的總時間（s）。

? NGCMN：年輕代的初始化大小（字節）。

? NGCMX：年輕代的最大容量（字節）。

? NGC：年輕代的當前容量（字節）。

? OGCMN：年老代的初始化大小（字節）。

? OGCMX：年老代的最大容量（字節）。

? OGC：年老代當前新生成的容量（字節）。

? PGCMN：持久代的初始化大小（字節）。

? PGCMX：持久代的最大容量（字節）。

? PGC：持久代當前新生成的容量（字節）。

? S0：年輕代中第一個幸存者區已使用的容量占當前容量的百分比。

? S1：年輕代中第二個幸存者區已使用的容量占當前容量的百分比。

? E：年輕代中伊甸園已使用的容量占當前容量的百分比。

? O：年老代中已使用的容量占當前容量的百分比。

? P：持久代中已使用的容量占當前容量的百分比。

? S0CMX：年輕代中第一個幸存者區的最大容量（字節）。

? S1CMX：年輕代中第二個幸存者區的最大容量（字節）。

? ECMX：年輕代中伊甸園的最大容量（字節）。

? DSS：當前需要幸存者區的容量（字節）（伊甸園已滿）。

? TT：持有次數限制。

? MTT：最大持有次數限制。

1.4.5　Arthas

Arthas是阿里巴巴開源的Java診斷工具，它集成了jvmtop與jstat等絕大部分Java診斷工具，并進行了創新。當遇到以下類似問題而束手無策時，Arthas可以快速解決。

? 這個類是從哪個jar包加載的？為什么會報各種類相關的異常？

? 我改的代碼為什么沒有執行到？是沒有提交，還是分支搞錯了？

? 遇到問題無法在線上debug，難道只能通過加日志再重新發布嗎？

? 線上遇到某個用戶的數據處理有問題，但線上無法debug，而線下無法重現？

? 是否可以通過全局視角查看系統的運行狀況？

? 是否可以監控JVM的實時運行狀態？

? 如何快速定位應用的熱點，生成火焰圖？

Arthas支持JDK 6以上版本，支持Linux、Mac和Windows操作系統。它采用命令行交互模式，同時提供了豐富的Tab自動補全功能，可以方便地對問題進行定位和診斷。

Arthas包含大量命令，此處僅介紹部分與性能有關的命令。例如，通過sysprop命令可以查看當前Java程序中的所有System Properties信息，結果如圖1-1所示。

通過thread命令可以查看當前Java程序中的所有線程信息，結果如圖1-2所示。

通過trace命令可以查看方法的調用耗時，結果如圖1-3所示。

通過monitor命令可以監控方法的實行進度及耗時，結果如圖1-4所示。

除此之外，Arthas還可以查詢最近5秒CPU使用率最高的線程、獲取函數調用棧、反編譯并直接在jar包處修改正在執行的代碼、跟蹤所有的Filter函數、動態修改當前運行程序的Logger日志等級、獲取當前運行程序的static變量數值等，是Java調優中一個功能強大的工具包。