1.4　算法、GC与诊断工具

1.4.1　算法

“算法”（algorithm）一词得名于波斯数学家花拉子密。公元9世纪，这位数学家写过一本书，讨论用纸笔解决数学问题的技巧。书名为al-Jabr wa’l-Muqabala，其中，“al-jabr”就是后来“algebra”（代数）这个词的前身。不过，最早的数学算法早于花拉子密。在巴格达附近出土的4000年前的苏美尔人的泥板文献上，就刻有一幅长除法示意图。

但是，算法不仅限于数学。当按照食谱介绍烤面包时，食谱上的所有步骤就是一个算法。当按照图样编织毛衣时，这份图样就是一个算法。使用鹿角的末端连续精确地敲打，使石器形成锋利的刃的过程（这是制作精密石器的一个关键步骤），也遵循着一个算法。从石器时代开始，算法就已经是人类生活的一部分了。

——《算法之美》[美]布莱恩·克里斯汀；[美]汤姆·格里菲思　著

在Java编程中，大部分程序员所接触的算法与数学并不相关，一些数学题在工作上很难体现出意义，但并不是说算法就毫无意义了，相反，算法在Java程序优化的过程中有着举足轻重的地位。大多数时候，算法与GC和业务逻辑息息相关。例如，优化循环次数、优化业务逻辑、减少内存开销、减少从数据源处提取的数据量、每次GC都删除更多的垃圾、把同步线程换为异步线程、把多次线程开销优化为线程池等，以上优化皆属于算法。

在Java编程中，算法上的经验大多来自工作中的经验。例如，虽然某个接口增加了缓存，但是返回速度仍然很慢，此时就需要根据Arthas之类的诊断工具配合GC相关的内容，不断地优化自身的代码。如果无法优化算法，则先优化业务需求，再优化算法。

1.4.2　GC

在Java中，各版本所涵盖的GC（垃圾回收器）都不同，最著名的有三款，分别为CMS、G1和ZGC。

在JDK 1.3之前，垃圾回收是单线程回收的，并且会stop the world（下文简称为STW）。也就是说，在垃圾回收时，会暂停所有用户线程。由于其运行方式是单线程的，所以适合Client模式的应用和单CPU环境。串行的GC有两种，即Serial和SerialOld，一般会搭配使用。在年轻代使用Serial复制算法，在年老代使用Serial Old标记整理算法。客户端应用或者命令行程序可以通过-XX:+UseSerialGC开启上述回收模式。

G1（Garbage First）先结合OpenJDK源码分析重要算法（如SATB）和重要存储结构（如CSet、RSet、TLAB、PLAB、Card Table等），再梳理G1 GC的YoungGC和MixedGC的收集过程。GC的主要回收区域是年轻代、年老代和持久代。在JDK8之后，持久代被替换成元空间（Metaspace）。元空间会在普通的堆区上进行分配。为了提高垃圾回收效率，G1通常采用分代回收的方式，即对不同的回收区域使用不同的GC。在系统正常运行时，Full GC会触发整个堆的扫描和回收（这在年轻代中是比较频繁的）。在G1中，最好的优化状态是不断地调整分区空间，避免进行Full GC，以便大幅提高吞吐量。

CMS（Concurrent Mark Sweep）基于标记—删除算法，主要用于年老代，所以其关注点在于减少因垃圾回收导致的STW时间。对于重视服务响应速度的应用可以使用CMS。CMS是并发运行的，即垃圾回收线程可以和用户线程同时运行。

ZGC与G1和CMS的设计不同，ZGC是革命性的垃圾回收器。在JDK9之后，默认的垃圾回收器是G1，自JDK11之后，ZGC成为新的垃圾回收器，它取消了年轻代和年老代的设计模式，ZGC只把Page作为内存存储，支持最大4TB级堆内存，最长停顿时间为10ms、吞吐量最大不超过15%。ZGC只对内存数据进行标记，而不会单独放置在一个空间中，不会出现Full GC的情况。

1.4.3　jvmtop

jvmtop是一个轻量级的控制台程序，可用来监控机器上运行的所有Java虚拟机，它显示了很多JVM内部信息，如内存等，使用命令如下所示：

1.4.4　jstat

jstat可以查看堆内存各部分的使用量，以及加载类的数量，命令格式如下：

下面通过jstat查看年老代信息，即查看pid为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，部分显示内容说明如下所示：

• S0C：年轻代中第一个survivor（幸存者区）的容量（字节）。

• S1C：年轻代中第二个幸存者区的容量（字节）。

• S0U：年轻代中第一个幸存者区目前已使用空间（字节）。

• S1U：年轻代中第二个幸存者区目前已使用空间（字节）。

• EC：年轻代中Eden（伊甸园）的容量（字节）。

• EU：年轻代中伊甸园目前已使用空间（字节）。

• OC：年老代的容量（字节）。

• OU：年老代目前已使用空间（字节）。

• PC：持久代的容量（字节）。

• PU：持久代目前已使用空间（字节）。

• YGC：从应用程序启动到采样时年轻代中的垃圾回收次数。

• YGCT：从应用程序启动到采样时年轻代的垃圾回收所用时间（s）。

• FGC：从应用程序启动到采样时年老代的（Full GC）垃圾回收次数。

• FGCT：从应用程序启动到采样时年老代的（Full GC）垃圾回收所用时间（s）。

• GCT：从应用程序启动到采样时垃圾回收所用的总时间（s）。

• NGCMN：年轻代的初始化大小（字节）。

• NGCMX：年轻代的最大容量（字节）。

• NGC：年轻代的当前容量（字节）。

• OGCMN：年老代的初始化大小（字节）。

• OGCMX：年老代的最大容量（字节）。

• OGC：年老代当前新生成的容量（字节）。

• PGCMN：持久代的初始化大小（字节）。

• PGCMX：持久代的最大容量（字节）。

• PGC：持久代当前新生成的容量（字节）。

• S0：年轻代中第一个幸存者区已使用的容量占当前容量的百分比。

• S1：年轻代中第二个幸存者区已使用的容量占当前容量的百分比。

• E：年轻代中伊甸园已使用的容量占当前容量的百分比。

• O：年老代中已使用的容量占当前容量的百分比。

• P：持久代中已使用的容量占当前容量的百分比。

• S0CMX：年轻代中第一个幸存者区的最大容量（字节）。

• S1CMX：年轻代中第二个幸存者区的最大容量（字节）。

• ECMX：年轻代中伊甸园的最大容量（字节）。

• DSS：当前需要幸存者区的容量（字节）（伊甸园已满）。

• TT：持有次数限制。

• MTT：最大持有次数限制。

1.4.5　Arthas

Arthas是阿里巴巴开源的Java诊断工具，它集成了jvmtop与jstat等绝大部分Java诊断工具，并进行了创新。当遇到以下类似问题而束手无策时，Arthas可以快速解决。

• 这个类是从哪个jar包加载的？为什么会报各种类相关的异常？

• 我改的代码为什么没有执行到？是没有提交，还是分支搞错了？

• 遇到问题无法在线上debug，难道只能通过加日志再重新发布吗？

• 线上遇到某个用户的数据处理有问题，但线上无法debug，而线下无法重现？

• 是否可以通过全局视角查看系统的运行状况？

• 是否可以监控JVM的实时运行状态？

• 如何快速定位应用的热点，生成火焰图？

Arthas支持JDK 6以上版本，支持Linux、Mac和Windows操作系统。它采用命令行交互模式，同时提供了丰富的Tab自动补全功能，可以方便地对问题进行定位和诊断。

Arthas包含大量命令，此处仅介绍部分与性能有关的命令。例如，通过sysprop命令可以查看当前Java程序中的所有System Properties信息，结果如图1-1所示。

通过thread命令可以查看当前Java程序中的所有线程信息，结果如图1-2所示。

通过trace命令可以查看方法的调用耗时，结果如图1-3所示。

通过monitor命令可以监控方法的实行进度及耗时，结果如图1-4所示。

除此之外，Arthas还可以查询最近5秒CPU使用率最高的线程、获取函数调用栈、反编译并直接在jar包处修改正在执行的代码、跟踪所有的Filter函数、动态修改当前运行程序的Logger日志等级、获取当前运行程序的static变量数值等，是Java调优中一个功能强大的工具包。