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GC Cause解析

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2023-04-18 15:00:37 时间

通常，在基于Java生态体系中的应用程序抛出异常时，生产环境都会通过gc log[当然，也有2愣子直接去线上环境进行各种骚操作]去捕获各种可疑线索，以便快速、高效定位及解决问题。

本文主要基于 Hotspot VM 中“CMS”垃圾回收策略的一些实际场景进行汇总，[涉及的基础概念暂不在本章赘述]简要通过部分源码对引起GC现象的根本原因进行分析以及对排查方法进行总结。另外，本文专业术语较多，有一定的阅读门槛，如对JVM体系所涉及的内存分配及垃圾回收没有理论支撑以及实战经验，还请去官网查阅相关材料。

在我们测试环境或者预发布环境，通常通过如下命令查看某一特定Java应用程序的GC详细情况：

[administrator@JavaLangOutOfMemory luga % ]jstat -gccause pid xxxxx

以确认上次GC的原因和当前GC的原因。

GC Cause，顾名思义，就是引起发生垃圾回收的因素。只有了解是什么原因引起的 GC，以及每次的时间花费情况，才能有效去定位、分析问题所在。但是要具体分析 GC 的问题，首先要读懂 GC Cause，即 JVM在何种场景下选择进行 GC 操作，具体 GC Cause 的分类可参考Hotspot 源码：

src/share/vm/gc/shared/gcCause.hpp

src/share/vm/gc/shared/gcCause.cpp 

const char* GCCause::to_string(GCCause::Cause cause) {
  switch (cause) {
    case _java_lang_system_gc:
      return "System.gc()";

    case _full_gc_alot:
      return "FullGCAlot";

    case _scavenge_alot:
      return "ScavengeAlot";

    case _allocation_profiler:
      return "Allocation Profiler";

    case _jvmti_force_gc:
      return "JvmtiEnv ForceGarbageCollection";

    case _gc_locker:
      return "GCLocker Initiated GC";

    case _heap_inspection:
      return "Heap Inspection Initiated GC";

    case _heap_dump:
      return "Heap Dump Initiated GC";

    case _wb_young_gc:
      return "WhiteBox Initiated Young GC";

    case _wb_conc_mark:
      return "WhiteBox Initiated Concurrent Mark";

    case _wb_full_gc:
      return "WhiteBox Initiated Full GC";

    case _no_gc:
      return "No GC";

    case _allocation_failure:
      return "Allocation Failure";

    case _tenured_generation_full:
      return "Tenured Generation Full";

    case _metadata_GC_threshold:
      return "Metadata GC Threshold";

    case _metadata_GC_clear_soft_refs:
      return "Metadata GC Clear Soft References";

    case _cms_generation_full:
      return "CMS Generation Full";

    case _cms_initial_mark:
      return "CMS Initial Mark";

    case _cms_final_remark:
      return "CMS Final Remark";

    case _cms_concurrent_mark:
      return "CMS Concurrent Mark";

    case _old_generation_expanded_on_last_scavenge:
      return "Old Generation Expanded On Last Scavenge";

    case _old_generation_too_full_to_scavenge:
      return "Old Generation Too Full To Scavenge";

    case _adaptive_size_policy:
      return "Ergonomics";

    case _g1_inc_collection_pause:
      return "G1 Evacuation Pause";

    case _g1_humongous_allocation:
      return "G1 Humongous Allocation";

    case _dcmd_gc_run:
      return "Diagnostic Command";

    case _last_gc_cause:
      return "ILLEGAL VALUE - last gc cause - ILLEGAL VALUE";

    default:
      return "unknown GCCause";
  }
  ShouldNotReachHere();
}

结合源码，我们可以看到，在实际的项目中，针对GC此处产生问题的分析重点需要关注的以下几个GC Cause：

1、System.gc()：即，显性手动触发GC操作

2、CMS：CMS GC 在执行过程中的一些动作，重点需要关注 CMS Initial Mark 和 CMS Final Remark 两个 STW 阶段

3、Promotion Failure：Old 区没有足够的空间分配给 Young 区晋升的对象（即使总可用内存足够大）

4、Concurrent Mode Failure：CMS GC 运行期间，Old 区所预留的空间不足以分配给新创建的对象，此时收集器会发生退化，甚至严重影响 GC 性能

5、GCLocker Initiated GC：如果线程执行在 JNI 临界区操作时，刚好需要进行 GC操作，此时 GC Locker 将会阻止 GC 操作的发生，同时阻止其他线程进入 JNI 临界区，直到最后一个线程退出临界区时触发一次 GC

在一次实际的业务场景处理的过程中，如何判断是 GC 操作导致的故障，还是应用系统本身引发 GC 问题？这里主要结合相关数据信息（例如：监控数据、GC Log日志文件、资源使用情况以及可获得的HeapDump/ThreadDump及CoreDump等相关转储文件）进行合理分析。围绕“GC 耗时增大、线程 Block 增多、慢查询增多、CPU 负载高“等核心要素，准确定位、判断到底哪个是罪魁祸首。

毕竟，不同的根因，后续的分析方法不尽相同。如果是 CPU 负载高，那可能需要用火焰图或者借助Nmon工具结合应用程序看下相关热点；如果是慢查询增多那可能需要观察下 DB 资源情况；如果是线程 Block 引起那可能需要判断是否存在锁竞争的情况；反之，如果各个核心要素证明都没有问题，那么罪魁祸首可能存在于GC这块，So，我们就需要以GC为切入点继续分析 GC 问题，直到将其Fix掉为止。

综上所述，只有通过对GC Cause的相关源码以及产生的相关因素进行剖析，在应用程序出现内存问题时才能游刃有余去处理。

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