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让 Java 应用运行更快:性能调优工具及实践

2016-12-27 23:01 张俊城等
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Java 应用性能优化是一个老生常谈的话题,笔者根据个人经验,将 Java 性能优化分为 4 个层级:应用层、数据库层、框架层、JVM 层。通过介绍 Java 性能诊断工具和思路,给出搜狗商业平台的性能优化案例以供参考。

Java 应用性能优化是一个老生常谈的话题,典型的性能问题如页面响应慢、接口超时,服务器负载高、并发数低,数据库频繁死锁等。尤其是在“糙快猛”的互联网开发模式大行其道的今天,随着系统访问量的日益增加和代码的臃肿,各种性能问题开始纷至沓来。Java 应用性能的瓶颈点非常多,比如磁盘、内存、网络 I/O 等系统因素,Java 应用代码,JVM GC,数据库,缓存等。笔者根据个人经验,将 Java 性能优化分为 4 个层级:应用层、数据库层、框架层、JVM 层,如图 1 所示。

图 1.Java 性能优化分层模型

每层优化难度逐级增加,涉及的知识和解决的问题也会不同。比如应用层需要理解代码逻辑,通过 Java 线程栈定位有问题代码行等;数据库层面需要分析 SQL、定位死锁等;框架层需要懂源代码,理解框架机制;JVM 层需要对 GC 的类型和工作机制有深入了解,对各种 JVM 参数作用了然于胸。

围绕 Java 性能优化,有两种最基本的分析方法:现场分析法和事后分析法。现场分析法通过保留现场,再采用诊断工具分析定位。现场分析对线上影响较大,部分场景(特别是涉及到用户关键的在线业务时)不太合适。事后分析法需要尽可能多收集现场数据,然后立即恢复服务,同时针对收集的现场数据进行事后分析和复现。下面我们从性能诊断工具出发,分享搜狗商业平台在其中的一些案例与实践。

性能诊断工具

性能诊断一种是针对已经确定有性能问题的系统和代码进行诊断,还有一种是对预上线系统提前性能测试,确定性能是否符合上线要求。本文主要针对前者,后者可以用各种性能压测工具(例如 JMeter)进行测试,不在本文讨论范围内。针对 Java 应用,性能诊断工具主要分为两层:OS 层面和 Java 应用层面(包括应用代码诊断和 GC 诊断)。

OS 诊断

OS 的诊断主要关注的是 CPU、Memory、I/O 三个方面。

CPU 诊断

对于 CPU 主要关注平均负载(Load Average),CPU 使用率,上下文切换次数(Context Switch)。

通过 top 命令可以查看系统平均负载和 CPU 使用率,图 2 为通过 top 命令查看某系统的状态。

图 2.top 命令示例

平均负载有三个数字:63.66,58.39,57.18,分别表示过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟机器的负载。按照经验,若数值小于 0.7*CPU 个数,则系统工作正常;若超过这个值,甚至达到 CPU 核数的四五倍,则系统的负载就明显偏高。图 2 中 15 分钟负载已经高达 57.18,1 分钟负载是 63.66(系统为 16 核),说明系统出现负载问题,且存在进一步升高趋势,需要定位具体原因了。

通过 vmstat 命令可以查看 CPU 的上下文切换次数,如图 3 所示:

图 3.vmstat 命令示例

上下文切换次数发生的场景主要有如下几种:1)时间片用完,CPU 正常调度下一个任务;2)被其它优先级更高的任务抢占;3)执行任务碰到 I/O 阻塞,挂起当前任务,切换到下一个任务;4)用户代码主动挂起当前任务让出 CPU;5)多任务抢占资源,由于没有抢到被挂起;6)硬件中断。Java 线程上下文切换主要来自共享资源的竞争。一般单个对象加锁很少成为系统瓶颈,除非锁粒度过大。但在一个访问频度高,对多个对象连续加锁的代码块中就可能出现大量上下文切换,成为系统瓶颈。比如在我们系统中就曾出现 log4j 1.x 在较大并发下大量打印日志,出现频繁上下文切换,大量线程阻塞,导致系统吞吐量大降的情况,其相关代码如清单 1 所示,升级到 log4j 2.x 才解决这个问题。

清单 1. log4j 1.x 同步代码片段


for
(Category c = this; c != null; c=c.parent) {
   // Protected against simultaneous call to addAppender, removeAppender,…
   
synchronized(c) {
       if (c.aai != null) {
           write += c.aai.appendLoopAppenders(event);
       
}
       …
   }
}

Memory

从操作系统角度,内存关注应用进程是否足够,可以使用 free –m 命令查看内存的使用情况。通过 top 命令可以查看进程使用的虚拟内存 VIRT 和物理内存 RES,根据公式 VIRT = SWAP + RES 可以推算出具体应用使用的交换分区(Swap)情况,使用交换分区过大会影响 Java 应用性能,可以将 swappiness 值调到尽可能小。因为对于 Java 应用来说,占用太多交换分区可能会影响性能,毕竟磁盘性能比内存慢太多。

I/O

I/O 包括磁盘 I/O 和网络 I/O,一般情况下磁盘更容易出现 I/O 瓶颈。通过 iostat 可以查看磁盘的读写情况,通过 CPU 的 I/O wait 可以看出磁盘 I/O 是否正常。如果磁盘 I/O 一直处于很高的状态,说明磁盘太慢或故障,成为了性能瓶颈,需要进行应用优化或者磁盘更换。

除了常用的 top、 ps、vmstat、iostat 等命令,还有其他 Linux 工具可以诊断系统问题,如 mpstat、tcpdump、netstat、pidstat、sar 等。Brendan 总结列出了 Linux 不同设备类型的性能诊断工具,如图 4 所示,可供参考。

图 4.Linux 性能观测工具

Java 应用诊断工具

应用代码诊断

应用代码性能问题是相对好解决的一类性能问题。通过一些应用层面监控报警,如果确定有问题的功能和代码,直接通过代码就可以定位;或者通过 top+jstack,找出有问题的线程栈,定位到问题线程的代码上,也可以发现问题。对于更复杂,逻辑更多的代码段,通过 Stopwatch 打印性能日志往往也可以定位大多数应用代码性能问题。

常用的 Java 应用诊断包括线程、堆栈、GC 等方面的诊断。

jstack

jstack 命令通常配合 top 使用,通过 top -H -p pid 定位 Java 进程和线程,再利用 jstack -l pid 导出线程栈。由于线程栈是瞬态的,因此需要多次 dump,一般 3 次 dump,一般每次隔 5s 就行。将 top 定位的 Java 线程 pid 转成 16 进制,得到 Java 线程栈中的 nid,可以找到对应的问题线程栈。

图 5. 通过 top –H -p 查看运行时间较长 Java 线程

如图 5 所示,其中的线程 24985 运行时间较长,可能存在问题,转成 16 进制后,通过 Java 线程栈找到对应线程 0x6199 的栈如下,从而定位问题点,如图 6 所示。

图 6.jstack 查看线程堆栈

JProfiler

JProfiler 可对 CPU、堆、内存进行分析,功能强大,如图 7 所示。同时结合压测工具,可以对代码耗时采样统计。

图 7. 通过 JProfiler 进行内存分析

GC 诊断

Java GC 解决了程序员管理内存的风险,但 GC 引起的应用暂停成了另一个需要解决的问题。JDK 提供了一系列工具来定位 GC 问题,比较常用的有 jstat、jmap,还有第三方工具 MAT 等。

jstat

jstat 命令可打印 GC 详细信息,Young GC 和 Full GC 次数,堆信息等。其命令格式为

jstat –gcxxx -t pid <interval> <count>,如图 8 所示。

图 8.jstat 命令示例

jmap

jmap 打印 Java 进程堆信息 jmap –heap pid。通过 jmap –dump:file=xxx pid 可 dump 堆到文件,然后通过其它工具进一步分析其堆使用情况

MAT

MAT 是 Java 堆的分析利器,提供了直观的诊断报告,内置的 OQL 允许对堆进行类 SQL 查询,功能强大,outgoing reference 和 incoming reference 可以对对象引用追根溯源。

图 9.MAT 示例

图 9 是 MAT 使用示例,MAT 有两列显示对象大小,分别是 Shallow size 和 Retained size,前者表示对象本身占用内存的大小,不包含其引用的对象,后者是对象自己及其直接或间接引用的对象的 Shallow size 之和,即该对象被回收后 GC 释放的内存大小,一般说来关注后者大小即可。对于有些大堆 (几十 G) 的 Java 应用,需要较大内存才能打开 MAT。通常本地开发机内存过小,是无法打开的,建议在线下服务器端安装图形环境和 MAT,远程打开查看。或者执行 mat 命令生成堆索引,拷贝索引到本地,不过这种方式看到的堆信息有限。

为了诊断 GC 问题,建议在 JVM 参数中加上-XX:+PrintGCDateStamps。常用的 GC 参数如图 10 所示。

图 10. 常用 GC 参数

对于 Java 应用,通过 top+jstack+jmap+MAT 可以定位大多数应用和内存问题,可谓必备工具。有些时候,Java 应用诊断需要参考 OS 相关信息,可使用一些更全面的诊断工具,比如 Zabbix(整合了 OS 和 JVM 监控)等。在分布式环境中,分布式跟踪系统等基础设施也对应用性能诊断提供了有力支持。

性能优化实践

在介绍了一些常用的性能诊断工具后,下面将结合我们在 Java 应用调优中的一些实践,从 JVM 层、应用代码层以及数据库层进行案例分享。

JVM 调优:GC 之痛

搜狗商业平台某系统重构时选择 RMI 作为内部远程调用协议,系统上线后开始出现周期性的服务停止响应,暂停时间由数秒到数十秒不等。通过观察 GC 日志,发现服务自启动后每小时会出现一次 Full GC。由于系统堆设置较大,Full GC 一次暂停应用时间会较长,这对线上实时服务影响较大。经过分析,在重构前系统没有出现定期 Full GC 的情况,因此怀疑是 RMI 框架层面的问题。通过公开资料,发现 RMI 的 GDC(Distributed Garbage Collection,分布式垃圾收集)会启动守护线程定期执行 Full GC 来回收远程对象,清单 2 中展示了其守护线程代码。

清单2.DGC 守护线程源代码


private static class
Daemon extends Thread {
   public void run() {
       for (; ; ) {
           //…
           
long d = maxObjectInspectionAge();
           if
(d >= l) {
               System.gc();
               
d = 0;
           
}
           //…
       
}
   }
}

定位问题后解决起来就比较容易了。一种是通过增加-XX:+DisableExplicitGC 参数,直接禁用系统 GC 的显示调用,但对使用 NIO 的系统,会有堆外内存溢出的风险。另一种方式是通过调大 -Dsun.rmi.dgc.server.gcInterval 和-Dsun.rmi.dgc.client.gcInterval 参数,增加 Full GC 间隔,同时增加参数-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent,将一次完全 Stop-The-World 的 Full GC 调整为一次并发 GC 周期,减少应用暂停时间,同时对 NIO 应用也不会造成影响。从图 11 可知,调整之后的 Full GC 次数 在 3 月之后明显减少。

图 11.Full GC 监控统计

GC 调优对高并发大数据量交互的应用还是很有必要的,尤其是默认 JVM 参数通常不满足业务需求,需要进行专门调优。GC 日志的解读有很多公开的资料,本文不再赘述。GC 调优目标基本有三个思路:降低 GC 频率,可以通过增大堆空间,减少不必要对象生成;降低 GC 暂停时间,可以通过减少堆空间,使用 CMS GC 算法实现;避免 Full GC,调整 CMS 触发比例,避免 Promotion Failure 和 Concurrent mode failure(老年代分配更多空间,增加 GC 线程数加快回收速度),减少大对象生成等。

应用层调优:嗅到代码的坏味道

从应用层代码调优入手,剖析代码效率下降的根源,无疑是提高 Java 应用性能的很好的手段之一。

某商业广告系统(采用 Nginx 进行负载均衡)某次日常上线后,其中有几台机器负载急剧升高,CPU 使用率迅速打满。我们对线上进行了紧急回滚,并通过 jmap 和 jstack 对其中某台服务器的现场进行保存。

图 12. 通过 MAT 分析堆栈现场

堆栈现场如图 12 所示,根据 MAT 对 dump 数据的分析,发现最多的内存对象为 byte[] 和 java.util.HashMap $Entry,且 java.util.HashMap $Entry 对象存在循环引用。初步定位在该 HashMap 的 put 过程中有可能出现了死循环问题(图中 java.util.HashMap $Entry 0x2add6d992cb8 和 0x2add6d992ce8 的 next 引用形成循环)。查阅相关文档定位这属于典型的并发使用的场景错误 (http://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6423457) ,简要的说就是 HashMap 本身并不具备多线程并发的特性,在多个线程同时 put 操作的情况下,内部数组进行扩容时会导致 HashMap 的内部链表形成环形结构,从而出现死循环。

针对此次上线,最大的改动在于通过内存缓存网站数据来提升系统性能,同时使用了懒加载机制,如清单 3 所示。

清单 3. 网站数据懒加载代码


private static
Map<Long, UnionDomain> domainMap = new HashMap<Long, UnionDomain>();

private boolean
isResetDomains() {
   if (CollectionUtils.isEmpty(domainMap)) {
       // 从远端 http 接口获取网站详情
       
List<UnionDomain> newDomains = unionDomainHttpClient
               .queryAllUnionDomain();
       if
(CollectionUtils.isEmpty(domainMap)) {
           domainMap = new HashMap<Long, UnionDomain>();
           for
(UnionDomain domain : newDomains) {
               if (domain != null) {
                   domainMap.put(domain.getSubdomainId(), domain);
               
}
           }
       }
       return true;
   
}
   return false;
}
   

可以看到此处的 domainMap 为静态共享资源,它是 HashMap 类型,在多线程情况下会导致其内部链表形成环形结构,出现死循环。

通过对前端 Nginx 的连接和访问日志可以看到,由于在系统重启后 Nginx 积攒了大量的用户请求,在 Resin 容器启动,大量用户请求涌入应用系统,多个用户同时进行网站数据的请求和初始化工作,导致 HashMap 出现并发问题。在定位故障原因后解决方法则比较简单,主要的解决方法有:

(1)采用 ConcurrentHashMap 或者同步块的方式解决上述并发问题;

(2)在系统启动前完成网站缓存加载,去除懒加载等;

(3)采用分布式缓存替换本地缓存等。

对于坏代码的定位,除了常规意义上的代码审查外,借助诸如 MAT 之类的工具也可以在一定程度对系统性能瓶颈点进行快速定位。但是一些与特定场景绑定或者业务数据绑定的情况,却需要辅助代码走查、性能检测工具、数据模拟甚至线上引流等方式才能最终确认性能问题的出处。以下是我们总结的一些坏代码可能的一些特征,供大家参考:

(1)代码可读性差,无基本编程规范;

(2)对象生成过多或生成大对象,内存泄露等;

(3)IO 流操作过多,或者忘记关闭;

(4)数据库操作过多,事务过长;

(5)同步使用的场景错误;

(6)循环迭代耗时操作等。

数据库层调优:死锁噩梦

对于大部分 Java 应用来说,与数据库进行交互的场景非常普遍,尤其是 OLTP 这种对于数据一致性要求较高的应用,数据库的性能会直接影响到整个应用的性能。搜狗商业平台系统作为广告主的广告发布和投放平台,对其物料的实时性和一致性都有极高的要求,我们在关系型数据库优化方面也积累了一定的经验。

对于广告物料库来说,较高的操作频繁度(特别是通过批量物料工具操作)很极易造成数据库的死锁情况发生,其中一个比较典型的场景是广告物料调价。客户往往会频繁的对物料的出价进行调整,从而间接给数据库系统造成较大的负载压力,也加剧了死锁发生的可能性。下面以搜狗商业平台某广告系统广告物料调价的案例进行说明。

某商业广告系统某天访问量突增,造成系统负载升高以及数据库频繁死锁,死锁语句如图 13 所示。

图 13. 死锁语句

其中,groupdomain 表上索引为 idx_groupdomain_accountid (accountid),idx_groupdomain_groupid(groupid),primary(groupdomainid) 三个单索引结构,采用 Mysql innodb 引擎。

此场景发生在更新组出价时,场景中存在着组、组行业(groupindus 表)和组网站(groupdomain 表)。当更新组出价时,若组行业出价使用组出价(通过 isusegroupprice 标示,若为 1 则使用组出价)。同时若组网站出价使用组行业出价(通过 isuseindusprice 标示,若为 1 则使用组行业出价)时,也需要同时更新其组网站出价。由于每个组下面最大可以有 3000 个网站,因此在更新组出价时会长时间的对相关记录进行锁定。从上面发生死锁的问题可以看到,事务 1 和事务 2 均选择了 idx_groupdomain_accountid 的单列索引。根据 Mysql innodb 引擎加锁的特点,在一次事务中只会选择一个索引使用,而且如果一旦使用二级索引进行加锁后,会尝试将主键索引进行加锁。进一步分析可知事务 1 在请求事务 2 持有的`idx_groupdomain_accountid`二级索引加锁(加锁范围“space id 5726 page no 8658 n bits 824 index”),但是事务 2 已获得该二级索引 (“space id 5726 page no 8658 n bits 824 index”) 上所加的锁,在等待请求锁定主键索引 PRIMARY 索引上的锁。由于事务 2 等待执行时间过长或长时间不释放锁,导致事务 1 最终发生回滚。

通过对当天访问日志跟踪可以看到,当天有客户通过脚本方式发起大量的修改推广组出价的操作,导致有大量事务在循环等待前一个事务释放锁定的主键 PRIMARY 索引。该问题的根源实际上在于 Mysql innodb 引擎对于索引利用有限,在 Oracle 数据库中此问题并不突出。解决的方式自然是希望单个事务锁定的记录数越少越好,这样产生死锁的概率也会大大降低。最终使用了(accountid, groupid)的复合索引,缩小了单个事务锁定的记录条数,也实现了不同计划下的推广组数据记录的隔离,从而减少该类死锁的发生几率。

通常来说,对于数据库层的调优我们基本上会从以下几个方面出发:

(1)在 SQL 语句层面进行优化:慢 SQL 分析、索引分析和调优、事务拆分等;

(2)在数据库配置层面进行优化:比如字段设计、调整缓存大小、磁盘 I/O 等数据库参数优化、数据碎片整理等;

(3)从数据库结构层面进行优化:考虑数据库的垂直拆分和水平拆分等;

(4)选择合适的数据库引擎或者类型适应不同场景,比如考虑引入 NoSQL 等。

总结与建议

性能调优同样遵循 2-8 原则,80%的性能问题是由 20%的代码产生的,因此优化关键代码事半功倍。同时,对性能的优化要做到按需优化,过度优化可能引入更多问题。对于 Java 性能优化,不仅要理解系统架构、应用代码,同样需要关注 JVM 层甚至操作系统底层。总结起来主要可以从以下几点进行考虑:

1)基础性能的调优

这里的基础性能指的是硬件层级或者操作系统层级的升级优化,比如网络调优,操作系统版本升级,硬件设备优化等。比如 F5 的使用和 SDD 硬盘的引入,包括新版本 Linux 在 NIO 方面的升级,都可以极大的促进应用的性能提升;

2)数据库性能优化

包括常见的事务拆分,索引调优,SQL 优化,NoSQL 引入等,比如在事务拆分时引入异步化处理,最终达到一致性等做法的引入,包括在针对具体场景引入的各类 NoSQL 数据库,都可以大大缓解传统数据库在高并发下的不足;

3)应用架构优化

引入一些新的计算或者存储框架,利用新特性解决原有集群计算性能瓶颈等;或者引入分布式策略,在计算和存储进行水平化,包括提前计算预处理等,利用典型的空间换时间的做法等;都可以在一定程度上降低系统负载;

4)业务层面的优化

技术并不是提升系统性能的唯一手段,在很多出现性能问题的场景中,其实可以看到很大一部分都是因为特殊的业务场景引起的,如果能在业务上进行规避或者调整,其实往往是最有效的。

参考资料

Linux 性能观测工具

http://www.brendangregg.com/Slides/Velocity2015_LinuxPerfTools.pdf




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