线上问题排查及GC排查案例

一、线上问题分类及排查手段

　　如果发现线上服务变慢等情况，应该如何排查？

　　1、查询业务日志：

　　　　可以发现这类问题：请求压力大，波峰，遭遇降级，熔断等等， 基础服务、外部 API 依赖出现故障。

　　2、查看系统资源和监控信息：

　　　　硬件信息、操作系统平台、系统架构；

　　　　排查 CPU 负载、内存不足，磁盘使用量、硬件故障、磁盘分区用满、IO 等待、IO 密集、丢数据、并发竞争等情况；

　　　　排查网络：流量打满，响应超时，无响应，DNS 问题，网络抖动，防火墙问题，物理故障，网络参数调整、超时、连接数。

　　3、查看性能指标，包括实时监控、历史数据。可以发现假死，卡顿、响应变慢等现象；

　　　　排查数据库， 并发连接数、慢查询、索引、磁盘空间使用量、内存使用量、网络带宽、死锁、TPS、查询数据量、redo 日志、undo、 binlog 日志、代理、工具 BUG。可以考虑的优化包括： 集群、主备、只读实例、分片、分区；

　　　　可能还需要关注系统中使用的各类中间件。

　　4、排查系统日志， 比如重启、崩溃、Kill 。

　　5、APM，比如发现有些链路请求变慢等等。

　　6、排查应用系统

　　　　排查配置文件: 启动参数配置、Spring 配置、JVM 监控参数、数据库参数、Log 参数、内存问题，比如是否存在内存泄漏，内存溢出、批处理导致的内存放大等等；

　　　　GC 问题， 确定 GC 算法，GC 总耗时、GC 最大暂停时间、分析 GC 日志和监控指标： 内存分配速度，分代提升速度，内存使用率等数据，适当时修改内存配置；

　　　　排查线程, 理解线程状态、并发线程数，线程 Dump，锁资源、锁等待，死锁；

　　　　排查代码， 比如安全漏洞、低效代码、算法优化、存储优化、架构调整、重构、解决业务代码 BUG、第三方库、XSS、CORS、正则；

　　7、可以在性能测试中进行长期的压测和调优分析。

　　8、其他：

　　　　假设我们有一个提供高并发请求的服务，系统使用 Spring Boot框架，指标采集使用MicroMeter ，监控数据上报给 Datadog 服务。

　　　　当然，Micrometer支持将数据上报给各种监控系统， 例如： AppOptics, Atlas,Datadog, Dynatrace, Elastic, Ganglia, Graphite, Humio, Influx, Instana, JMX,KairosDB, New Relic, Prometh eus, SignalFx, Stackdriver, StatsD, Wavefront 等等。有关MicroMeter的信息可参考：https://micrometer.io/doc

二、线上问题分析实战

（一）问题现象描述

　　最近一段时间，通过监控指标发现，有一个服务节点的最大GC暂停时间经常会达到400ms以上。

　　如下图所示：

　　　　　　　　

 　　从图中可以看到，GC暂停时间的峰值达到了 546ms ，这里展示的时间点是 2020年02月04日09:20:00 左右。客户表示这种情况必须解决，因为服务调用的超时时间为1秒，要求最大GC暂停时间不超过200ms，平均暂停时间达到100ms以内，对客户的交易策略产生了极大的影响。

（二）排查与分析

　　1、CPU负载

　　　　CPU的使用情况如下图所示：

　　　　　　　　

　　　　从图中可以看到：系统负载为 4.92 , CPU使用率 7% 左右，其实这个图中隐含了一些重要的线索，但我们此时并没有发现什么问题。

　　2、GC内存使用情况 

　　　　然后我们排查了这段时间的内存使用情况： 

　　　　　　　　

 　　　　从图中可以看到，大约 09:25 左右 old_gen 使用量大幅下跌，确实是发生了FullGC 。但 09:20 前后，老年代空间的使用量在缓慢上升，并没有下降，也就是说引发最大暂停时间的这个点并没有发生FullGC。当然，这些是事后复盘分析得出的结论。 当时对监控所反馈的信息并不是特别信任，怀疑就是触发了FullGC导致的长时间GC暂停。 

　　　　为什么有怀疑呢，因为Datadog这个监控系统，默认10秒钟上报一次数据。 有可能在这10秒内发生些什么事情但是被漏报了（当然，这是不可能的，如果上报失败会在日志系统中打印相关的错误）。 

　　　　再分析上面这个图，可以看到老年代对应的内存池是 " ps_old_gen "，通过前面的学习，我们知道， ps 代表的是 ParallelGC 垃圾收集器。 

　　3、JVM启动参数 

　　　　查看JVM的启动参数，发现是这样的：

‐Xmx4g ‐Xms4g

 　　　　我们使用的是JDK8，启动参数中没有指定GC，确定这个服务使用了默认的并行垃圾收集器。于是怀疑问题出在这款垃圾收集器上面，因为很多情况下 ParallelGC 为了最大的系统处理能力，即吞吐量，而牺牲掉了单次的暂停时间，导致暂停时间会比较长。

（三）处理

 　　怎么办呢？ 准备换成G1，毕竟现在新版本的JDK8中G1很稳定，而且性能不错。然后换成了下面的启动参数： 

# 这个参数有问题，启动失败
‐Xmx4g ‐Xms4g ‐XX:+UseG1GC ‐XX:MaxGCPauseMills=50ms

 　　结果启动失败， 忙中出错，参数名和参数值都写错了。修正如下： 

‐Xmx4g ‐Xms4g ‐XX:+UseG1GC ‐XX:MaxGCPauseMillis=50

 　　接着服务启动成功，等待健康检测自动切换为新的服务节点，继续查看指标。

　　　　　　　　

 　　看看暂停时间，每个节点的GC暂停时间都降下来了，基本上在50ms以内，比较符合我们的预期。嗯！事情到此结束了？远远没有。 

（四）产生新的问题

　　过了一段时间，我们发现了个下面这个惊喜（也许是惊吓），如下图所示： 

　　　　　　　　

 　　中奖了，运行一段时间后，最大GC暂停时间达到了 1300ms 。情况似乎更恶劣了。继续观察，发现不是个别现象：

　　　　　　　　

（五）继续排查与分析

　　1、注册GC事件监听

　　于是想了个办法，通过JMX注册GC事件监听，把相关的信息直接打印出来。关键代码如下所示： 

// 每个内存池都注册监听 
for (GarbageCollectorMXBean mbean : ManagementFactory.getGarbageCollectorMXBeans()) {
    if (!(mbean instanceof NotificationEmitter)) {
        continue; // 假如不支持监听... 
    }
    final NotificationEmitter emitter = (NotificationEmitter) mbean; 
    // 添加监听
    final NotificationListener listener = getNewListener(mbean); 
    emitter.addNotificationListener(listener, null, null); 
}  

　　通过这种方式，我们可以在程序中监听GC事件，并将相关信息汇总或者输出到日志。再启动一次，运行一段时间后，看到下面这样的日志信息：

{ 
    "duration":1869,
    "maxPauseMillis":1869, 
    "promotedBytes":"139MB", 
    "gcCause":"G1 Evacuation Pause", 
    "collectionTime":27281, 
    "gcAction":"end of minor GC", 
    "afterUsage": 
     { 
        "G1 Old Gen":"1745MB", 
        "Code Cache":"53MB", 
        "G1 Survivor Space":"254MB", 
        "Compressed Class Space":"9MB", 
        "Metaspace":"81MB", 
        "G1 Eden Space":"0" 
    }, 
    "gcId":326,
     "collectionCount":326, 
    "gcName":"G1 Young Generation", 
    "type":"jvm.gc.pause"
}            

　　情况确实有点不妙。这次实锤了，不是FullGC，而是年轻代GC，而且暂停时间达到了 1869 毫秒。一点道理都不讲，我认为这种情况不合理，而且观察CPU使用量也不高。找了一大堆资料，试图证明这个 1869 毫秒 不是暂停时间，而只是GC事件的结束时间减去开始时间。

　　2、打印GC日志

　　既然这些手段不靠谱，那就只有祭出我们的终极手段：打印GC日志。修改启动参数如下

‐Xmx4g ‐Xms4g ‐XX:+UseG1GC ‐XX:MaxGCPauseMillis=50 
‐Xloggc:gc.log ‐XX:+PrintGCDetails ‐XX:+PrintGCDateStamps

　　重新启动，希望这次能排查出问题的原因。 

　　　　　　　　

 　　运行一段时间，又发现了超长的暂停时间。 

　　3、分析GC日志

　　因为不涉及敏感数据，那么我们把GC日志下载到本地进行分析。定位到这次暂停时间超长的GC事件，关键的信息如下所示： 

　　　　　　　　        

 　　前后的GC事件都很正常，也没发现FullGC或者并发标记周期，但找到了几个可疑的点。

　　　　physical 144145548k(58207948k free) JVM启动时，物理内存 137GB, 空闲内存55GB.

　　　　[Parallel Time: 1861.0 ms, GC Workers: 48] 垃圾收集器工作线程 48个。

　　　　user=1.67 用户线程耗时 1.67秒；

　　　　sys=14.00 系统调用和系统等待时间 14秒；

　　　　real=1.87 secs 实际暂停时间 1.87 秒；

　　　　GC之前，年轻代使用量2GB，堆内存使用量3.6GB, 存活区2MB，可推断出老年代使用量 1.6GB?

　　　　GC之后，年轻代使用量为0，堆内存使用量2GB，存活区254MB， 那么老年代大约1.8GB，那么内存提升量为200MB左右 。

　　这样分析之后，可以得出结论：

　　　　年轻代转移暂停，复制了400MB左右的对象，却消耗了1.8秒，系统调用和系统等待的时间达到了14秒。

　　　　JVM看到的物理内存137GB。。。

　　　　推算出JVM看到的CPU内核数量 72个，因为 GC工作线程 72* 5/8 ~= 48个。

　　看到这么多的GC工作线程我就开始警惕了，毕竟堆内存才指定了4GB。

　　按照一般的CPU和内存资源配比，常见的比例差不多是 4核4GB ， 4核8GB 这样的。看看对应的CPU负载监控信息： 

　　　　　　　　

 　　通过和运维同学的沟通，得到这个节点的配置被限制为 4核8GB 。这样一来，GC暂停时间过长的原因就定位到了：K8S的资源隔离和JVM未协调好，导致JVM看见了72个CPU内核，默认的并行GC线程设置为: 72* 5/8 + 3 = 48 个 ，但是K8S限制了这个Pod只能使用4个CPU内核的计算量，致使GC发生时，48个线程在4个CPU核心上发生资源竞争，导致大量的上下文切换。

　　处置措施为：限制GC的并行线程数量。事实证明，打印GC日志确实是一个很有用的排查分析方法。

（六）限制GC的并行线程数量

　　下面是新的启动参数配置： 

‐Xmx4g ‐Xms4g
‐XX:+UseG1GC ‐XX:MaxGCPauseMillis=50 ‐XX:ParallelGCThreads=4
‐Xloggc:gc.log ‐XX:+PrintGCDetails ‐XX:+PrintGCDateStamps

　　这里指定了 ‐XX:ParallelGCThreads=4 , 为什么这么配呢？ 我们看看这个参数的说明。

　　　　‐XX:ParallelGCThreads=n　　设置STW阶段的并行 worker 线程数量。如果逻辑处理器小于等于8个，则默认值 n 等于逻辑处理器的数量。如果逻辑处理器大于8个，则默认值 n 等于处理器数量的 5/8+3 。 在大多数情况下都是个比较合理的值。 如果是高配置的 SPARC 系统，则默认值 n 大约等于逻辑处理器数量的 5/16 。

　　　　‐XX:ConcGCThreads=n　　设置并发标记的GC线程数量。 默认值大约是 ParallelGCThreads 的四分之一。一般来说不用指定并发标记的GC线程数量，只用指定并行的即可。

　　重新启动之后，看看GC暂停时间指标：

　　　　　　　　

 　　红色箭头所指示的点就是重启的时间点， 可以发现， 暂停时间基本上都处于50ms范围内。后续的监控发现，这个参数确实解决了问题。

　　后续经过一段时间的运行，因为数据量爆发，定时任务执行时，每次从数据库加载几百万条数据到内存进行处理。。。

（七）总结

　　通过这个案例，我们可以看到，JVM问题排查和性能调优主要基于监控数据来进行。还是那句话： 没有量化，就没有改进 。

　　简单汇总一下这里使用到的手段：

　　　　指标监控

　　　　指定JVM启动内存

　　　　指定垃圾收集器

　　　　打印和分析GC日志

　　GC和内存是最常见的JVM调优场景， GC的性能维度：

　　　　延迟，GC中影响延迟的主要因素就是暂停时间。

　　　　吞吐量，主要看业务线程消耗的CPU资源百分比，GC占用的部分包括: GC暂停时间，以及高负载情况下并发GC消耗的CPU资源。

　　　　系统容量，主要说的是硬件配置，以及服务能力。

　　只要这些方面的指标都能够满足，各种资源占用也保持在合理范围内，就达成了我们的预期。