Javaパフォーマンス改善 - Full GCの原因とその解決方法について

2011/12/09 17:34Update

Javaパフォーマンス改善につながるヒープ領域、GC、Full GC、Full GCの回避策などについて解説します。

■ヒープ領域について

ヒープ領域は
◇　若い世代（New 領域）
　　※New領域はさらにEden領域、Survivor（From領域、To領域）という3つの領域に分割されています。
◇　古い世代 (Old 領域) ：寿命の長いオブジェクトがこの領域に配置されます。
があります。

ヒープ領域のほか、クラスのメタ情報を格納するPermanent 領域もあります。

■GCについて

GCは、Garbage Collection（ガベージ・コレクション）の略称で、メモリ領域の開放を行う役割を担います。
「Scavenge GC」：NEW領域を対象とした短時間で終了するガベージ・コレクションで、New 領域が不足した場合に実行されます。
※Scavenge GCの実行時間が0.1秒未満がベスト
「Full GC」：Old 領域が不足した場合実行されます。 Full GCが行われている間は、他の処理ができなくなり、システムは一時的に停止し応答しません。
※Full GCの実行時間が1秒未満がベスト

■Full GCだと思われる現象

数秒～数十秒間でWebシステムは一時停止して応答がない状態で、Full GCの可能性が高いと思われます。
Java VMの仕組み上で、Full GCによるシステムの一時停止現象は一般に「Stop the World」と呼ばれています。

■Full GCの原因

JavaヒープのOld 領域かPermanent 領域が一杯になっている（枯渇）時にFull GC が発生します。
※JDK1.5.0＋であればPermanent領域は一杯になることはないようで Old 領域を疑った方がよいかもしれません。

■Full GCの確認

JVMの起動パラメータにGCを出力するように設定することで、GCやFull GCログが出力されますので、Full GCがどの頻度で行われたかを確認できます。

◇設定例：

-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
※-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError （JDK1.5+）

◇Full GCの出力例：

228.004: [Full GC 228.004: [Tenured: 168230K->167535K(1699072K), 1.2345678 secs]
167459K->64535K(1038336K), [Perm : 53247K->53247K(53248K)], 1.3357874 secs]

■Full GCの回避策

JavaヒープのOld領域を枯渇させないようにすること。
◇プログラムを見直す
１）オブジェクトをできるだけ使い回さない。使いまわされると、Old 領域に割り当てられる可能性も高くなりますので、Full GC が発生しやすくなります。
２）オブジェクトの寿命を短くにする。セッション理由は同上２）
３）長く利用する使いまわしオブジェクト（セッションや接続プールなど）の数やサイズを減らす：Old領域を満杯にならないようにする。
　※セッションタイムアウト時間は必要以上になっていないか
　※セッションに必要以上（数、サイズ）のオブジェクトが格納されていないか
　※アプリケーションスコープのオブジェクトは必要以上（数、サイズ）に格納されていないか

◇JavaVMの設定を見直す
１）一時（短命）オブジェクトは多い場合、New 領域を大きめ取る。
２）使いまわしオブジェクトは多い場合、Old領域を大きめ取る。
３）Scavenge GCは
New領域が大きすぎる可能性があるので、-Xmn(-XX:NewSize)、-XX:MaxNewSizeを減らす。

◇※GC関連の基本的なJVMオプション

-Xms    ヒープ領域の初期値
-Xmx    ヒープ領域の最大値。一般的に、-Xmsと同値にする
-Xmn    NEW領域（Eden、From、To）の初期値。
-XX:NewSize    New 領域の初期値。同-Xmn
-XX:MaxNewSize    New 領域の最大値。一般的に、-XX:NewSizeと同値にする。
-XX:PermSize    Permanent 領域の初期値
-XX:MaxPermSize    Permanent 領域の最大値。一般的に、-XX:PermSizeと同値にする。

-XX:NewRatio    New 領域と Old 領域の比率
-XX:SurvivorRatio    New 領域と Survivor 領域の比率。SurvivorRatio=Eden÷Survivor

-verbose:gc(-Xloggc:出力先)    GCログ出力指定
-XX:+PrintGCTimeStamps    GCログにタイムスタンプ(Java起動時からの経過時間)出力
-XX:+PrintGCDetails　詳細なGCログを出力
-XX:+PrintClassHistogram　SIGQUITシグナル（kill -3 pid）受信時にヒープ統計情報を出力。-verbose:gc(-Xloggc:出力先)と併用必須。
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError    OutOfMemoryError発生時にヒープダンプを出力（JDK1.5+）

-XX:+UseParallelGC    マルチコアCPUまたは複数CPUの場合は、パラレルGCをマルチスレッドで実行を有効にする
※-XX:PermSize/-XX:MaxPermSize：-Xms/-Xmx範囲に含まれないことをご理解ください。

◇※NEW領域の調整について
NEW領域：-Xmnオプションを用いてNEW領域（Eden、From、To）のサイズを指定します。
NEW領域の割合は、最大ヒープ・サイズ（-Xmxオプション）の1/4から1/2の間で設定することが一般的となります。

◇システム構成を見直す
１）システムを冗長化する
２）Full GCさせないアプリサーバで対応

などの方法があります。

設定例：

export CATALINA_OPTS="-server -Xmx256M -Xms256M -XX:NewSize=128M -XX:MaxNewSize=128M -XX:SurvivorRatio=2 -Xloggc:/var/log/gc.log"

-Xms=1024m -Xmx=1024m -XX:PermSize=128m -XX:MaxPermSize=128m -XX:NewSize=320m -XX:MaxNewSize=320m -XX:SurvivorRatio=2 -XX:TargetSurvivorRatio=80

メモリ関連ツール

◇ヒープダンプ情報出力ツール
・jmap：ヒープダンプを行うツール
・jconsole
・hprof
・jstack：スレッドダンプを行うツール
※jps：JavaのPIDを確認するツール
※jinfo：Java VM の構成情報を参照、設定するためのツール

◇プロファイラツール
・visualvm
・NetBeans Profiler
・jprofiler

◇統計＆分析ツール
・Eclipse Memory Analyzer
・HeapAnalyzer
・HAT
・jstat
・jhat
・gcLogViewer
・SAP Memory Analyerツール
・IBMR HeapAnalyzer