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# 27 | 多任务环境中的Java性能问题，怎样才能不让程序互相干扰？
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你好，我是庄振运。
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我们来继续学习生产实践中的案例。在生产实践中，为了降低公司运营成本，更好地利用系统容量，并提高资源使用率，我们经常会让多个应用程序，同时运行在同一台服务器上。
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但是，万事有利就有弊。这几个共存的应用程序，有可能会互相影响；有时还会导致严重的性能问题。我就遇到过，几个程序同时运行，最后导致吞吐量急剧下降的情况。
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所以，今天我们就来探讨，当多个Java应用程序共存在一个Linux系统上的时候，会产生哪些性能问题？我们又该怎么解决这些问题？
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## 怎样理解多程序互相干扰？
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为了更好地理解后面的性能问题，你需要先了解一下应用程序内存管理机制的背景知识。我们运行的是Java程序，所以先快速复习一下**Java的JVM内存管理机制**。
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Java程序在Java虚拟机JVM中运行，JVM使用的内存区域称为**堆**。JVM堆用于支持动态Java对象的分配，并且分为几个区域，称为“代”（例如新生代和老年代）。Java对象首先在新生代中分配；当这些对象不再被需要时，它们会被称为GC（Garbage Collection）的垃圾回收机制收集。发生GC时，JVM会从根对象开始，一个个地检查所有对象的引用计数。如果对象的引用计数降为零，那就删除这个对象，并回收使用这个对象相应的存储空间。
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GC运行的某些阶段，会导致应用程序停止响应其他请求，这种行为，通常称为STW（Stop The Word暂停）。 JVM调优的重要目标之一，就是最大程度地减少GC暂停的持续时间。
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复习完JVM内存管理机制，我们还要看一下与它相关的**Linux的内存管理机制**。
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在Linux操作系统上，虚拟内存空间基本上是固定大小（例如4KB）的页面。Linux近年来有很多内存管理的优化，来提高内存使用效率和运行进程的性能。
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Linux内存管理有一个**页面回收**的机制。它在内部维护一个空闲页面（Free Page）列表，来满足未来应用程序的内存请求。当空闲页面的数量下降到一定水平时，操作系统就开始回收页面，并将新回收的页面添加到空闲列表中。
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执行页面回收时，操作系统需要进行页面扫描（Page Scanning），以检查已经分配页面的活动性。Linux有两个策略来进行页面扫描：**后台扫描**（由kswapd守护程序执行）和**前台扫描**（由进程自己执行）。
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通常情况下，后台扫描就够了，应用程序的性能一般不会受到影响。但是当操作系统的内存使用非常大，空闲页面严重不足时，Linux就会启动前台页面回收，也被称为**直接回收或同步回收**。在前台页面回收过程中，应用程序会停止运行，因此对应用程序影响很大。
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Linux还有一个**页面交换**（Page Swapping）的机制。是当可用内存不足时，Linux会将某些内存页面换出到外部存储，以回收内存空间来运行新进程。当对应于换出页面的内存空间，再次处于活动状态时，系统会把这些页面重新从外部存储换入内存。
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内存管理方面，THP（Transparent Huge Pages，透明大页面）是另外一个机制，也是为了提高进程的性能。我们在[第22讲](https://time.geekbang.org/column/article/189200)讨论过，如果系统用较大的页面，比如2MB，而不是传统的4KB，那么会带来一些好处，尤其是所需的地址转换条目数会减少。
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尽管使用大页面的好处很早就为人所理解，但在THP引入之前，程序想使用大型页面并不容易。例如，操作系统启动时，需要保留大页面，并且进程必须显式调用才能分配大页面。而THP就是为了避免这两个问题而设计的，因此操作系统默认情况下就启用THP。
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了解了背景知识，你再看多个应用程序共存时的两个场景就不会有障碍了。第一个场景是应用程序启动时，第二个场景是应用程序稳定运行时。
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## 应用程序启动时为什么会被其他程序干扰？
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我们先看应用程序启动时的场景。当几个共存的应用程序共享有限的计算资源（包括内存和cpu）时，它们之间会相互影响。如果各自独立地运行，导致对系统计算资源的消耗无法协调一致，那么某些应用程序会出现问题。
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我们要做个实验来暴露这些性能问题，看看这个问题的表象是什么，然后一起分析产生问题的原因。
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这个实验采用了两个相同的Java程序。我们首先启动第一个程序，来占用一些内存，系统剩下约20GB的未使用内存。然后我们开始启动另外一个Java程序，这个程序需要20GB的堆。
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在图中你可以看到，启动第二个程序之后，它的吞吐量是12K/秒，持续时间约30秒。然后，吞吐量开始急剧下降。最坏的情况，在大约20秒的时间内，吞吐量几乎为零。有趣的是，过了一会儿，吞吐量又再次回到了稳定状态：12KB/秒。
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下图显示了同一时间段的GC暂停信息。
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最初的GC暂停很低，都低于50毫秒；然后暂停就跳到数百毫秒之大。你甚至可以看到两次大于1秒的超大的暂停！大约1分钟后，GC暂停再次下降至低于50毫秒，并变得稳定。
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我们看到在启动期间，Java程序的性能很差。因为问题是在启动JVM时发生的，我们有理由怀疑这与JVM的启动方式有关。我们检查了程序的的内存驻留大小（RES，Resident Size），也就是进程使用的未交换的物理内存，图示如下。
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从图中你可以看到，尽管我们在启动JVM时，用参数将JVM的堆大小指定为20GB（-Xmx20g和-Xms20g），但是JVM并不会从内存中一次全部拿到20GB的堆空间。相反，操作系统会在JVM的运行过程中不断地分配。也就是说，随着JVM实例化越来越多的对象，JVM会从操作系统逐渐拿到更多的内存页面来容纳它们。
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在分配过程中，操作系统将不断地检查空闲页面列表。如果发现可用内存量低于一定水平，操作系统就会开始回收页面，这个过程会花费CPU的时间。根据可用内存短缺的严重程度，回收过程可能会严重阻塞应用程序。在下图中，我们看到，可用内存明显地下降到了非常低的水平。
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下面这张图显示了CPU的空闲百分比（CPU空闲百分比和繁忙百分比的和是100%）。对比时间线，我们可以清楚地看到，页面回收过程会导致CPU开销，也就是空闲百分比下降了。
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那么怎么进行内存回收呢？
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在Linux上，当可用内存不足时，操作系统会唤醒**kswapd守护程序**，开始在后台回收空闲页面。如果内存压力很大，操作系统就会被迫采取另外一种措施，就是**直接地同步释放内存的前台**。具体来讲，当可用空闲页面降到一个阈值之下，就会触发这种直接前台回收。
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当发生直接前台回收时，Linux会冻结正在申请内存的执行代码的应用程序，从而间接地导致大量的GC暂停。
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此外，直接回收通常会扫描大量内存页面，以释放未使用的页面。那么我们就来看看Linux直接回收内存页面的繁忙程度。下图就画出了Linux通过直接回收路径扫描的页面数。
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我们看到，在峰值时，通过直接回收，每秒扫描约48K个页面（即200 MB）；这个回收工作量是很大的，CPU会不堪重负。
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## 运行中的应用程序为什么会被别的程序干扰？
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了解过程序启动时互相干扰的场景，我们再来考虑第二个场景：应用程序在持续运行中。
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我们的实验是这样进行的。第一个Java程序以20GB的堆启动，并进入稳定状态。然后另外一个程序启动，并开始分配50GB的内存。
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下图中体现了第一个程序的吞吐量。
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从图中我们看到，第一个程序从一开始就实现了稳定的12K/秒的吞吐量。然后，吞吐量急剧下降到零，这个零吞吐量的过程持续了约2分钟。从那时起，吞吐量一直在发生相当大的变化：有时吞吐量是12K/秒，其他时候又降为零。
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我们也观察了JVM的暂停，用下图所示。
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从图中我们看到，在稳定状态下，GC暂停几乎为零，然后居然有一个超级大的暂停；多大呢？55秒！从那时起，GC暂停持续变化，但很少恢复为零。大多数暂停时间为几秒钟。
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我们观察到，其他应用程序的运行会严重影响本程序的性能。各种观察的结论是，系统处于内存压力之下，操作系统内存会有很多和外部存储的页面交换活动。在下图中，我们看到操作系统交换出了很多内存页面到外部存储空间。
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这些换出的内存页面很多属于Java程序（也就是堆空间）。如果JVM需要进行堆上的垃圾回收，也就是GC，那么GC需要扫描JVM对象，以收集失效的对象。如果扫描的对象恰好是分配在换出的页面上，那么JVM需要先将它们从外部存储交换空间重新载入到内存中。从外部存储载入内存需要一些时间，因为交换空间通常位于磁盘驱动器上。
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所有这些时间，都会算在GC暂停之中。因此，程序会看到较大的GC暂停。下图就显示了大量的从外部存储载入页面的活动。
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尽管页面交换活动会增加GC暂停时间，似乎可以解释刚刚看到的JVM暂停。但是，我怀疑，仅是这个原因根本无法解释生产中看到的很大暂停，比如超过55秒的暂停。你可能会问，我为什么有这样的怀疑？因为我在许多GC暂停的过程中，观察到了较高的系统CPU使用。
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比如在下图中，我们观察到，系统也处于严重的CPU压力下。
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CPU的高使用率不能完全归因于页面交换活动，因为页面交换通常不会占用大量CPU。所以，其中“必有隐情”：一定是有其他活动在大量使用CPU。我们通过检查了各种系统性能指标，最终确定了根因：是由于THP的机制，该机制严重加剧了程序性能和系统性能的下降。
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具体来说，Linux启用THP后，当应用程序分配内存时，会优先选择2MB大小的透明大页面，而不是4KB的常规页面。这一点我们可以轻易验证，比如下图中显示了透明大页面的瞬时数量。在峰值时，我们看到约34,000个THP，即约68GB的内存量。
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我们还观察到，THP的数量一开始很高，一段时间后开始下降。这是因为某些THP被拆分成小的常规页面，以补充可用内存的不足。
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为什么需要拆分大页面呢？是因为当Linux在有内存压力时，它会将THP分为常规的、要准备交换的页面。为什么必需拆分大页面？这是因为当前的Linux，仅支持常规大小页面的交换。
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拆分活动的数量我们也用下图画出来了。你可以看到，在五分钟内大约有5K个THP页面被拆分，对应于10GB的内存。
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除了大页面拆分，同时，Linux也会尝试将常规页面重新聚合为THP大页面，这就需要额外的页面扫描，并消耗CPU。如果你在实践中注意观察的话，可以发现这种活动会占用大量CPU。
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使用THP可能遇到的更糟糕的情况是，**聚合**和**拆分**这两个相互矛盾的活动，是来回执行的。也就是说，当系统承受内存压力时，THP被拆分成常规页面，而不久之后，常规页面则又被聚合成THP，依此类推。我们已经观察到，这种行为会严重损害我们生产系统中的应用程序性能。
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## 如何解决多程序互相干扰？
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那么程序在启动和运行时互相干扰的性能问题，到底该怎么解决呢？我们现在就来看解决方案。
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我们的解决方案由三个设计元素组成，每个设计元素都针对问题的特定方面。部署任何单独的元素都将在一定程度上对问题有所帮助。但是，所有设计元素协同工作，才能获得最好的效果。
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第一个设计元素是**预分配JVM的堆空间**。
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我们知道，对JVM而言，只有在实际使用堆空间之时，就是当需要增大堆空间来容纳新对象分配请求时，Linux才会为之分配新的内存页面，这时就可能会触发大量页面回收，并损害程序和系统性能。
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这个设计元素就是预分配所有堆空间，从而避免了Linux实时分配页面的不利场景。要预先执行堆预分配，需要使用一个特殊的JVM参数：“ -XX：+ AlwaysPreTouch”，来启动Java应用程序。
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但这个设计元素也有副作用，就是增加了JVM启动所需的时间，在部署时你需要考虑这一点。我们也做过一些实际测量，这个额外启动时间并不大，一般在几秒钟内，通常是可以接受的。
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第二个设计元素，是关于如何**保护JVM的堆空间不被唤出到外部存储**。
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我们知道，当发生GC时，JVM需要扫描相应的内存页。如果这些页面被操作系统换出到外部存储，则需要先换入它们到内存，这就会导致延迟，会增加JVM的暂停时间。
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这个设计元素就可以防止JVM的堆页面被换出。 我们知道，Linux操作系统上是可以关闭内存页面交换的，但是这个设置如果是在系统级别进行，就会影响所有应用程序和所有内存空间。我推荐你一个更好的实现，就是采用**微调**，你来选择哪个应用程序和哪个存储区域可以页面交换。例如，你可以使用cgroup来精确控制要交换的应用程序。
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公司中的大多数平台，一般都用来运行同类Java应用程序；这些程序往往配置差不多。在这些情况下，在系统级别关闭应用程序交换，倒也是非常合理的。
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第三个设计元素是**动态调整THP**。
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我们已经看到，启用THP功能可能会在某些场景下，导致严重的性能损失；但是THP在其他场景的确提高了性能，所以到底是否要启用THP呢？我们需要仔细考虑。
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当THP影响性能时，系统的可用内存往往也恰好严重不足。发生这种情况时，现有的THP需要拆分成常规页面以进行页面换出。所以，我建议你用一个可用内存大小的阈值来决定THP的开关。
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具体来说，就是建议你使用**应用程序的堆大小**作为内存阈值，来决定是否打开或关闭THP。当可用内存远远大于应用程序的内存可能占用量大小时，就启用THP，因为系统不太可能在启动特定应用程序后出现内存压力。否则的话，就关闭THP。
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由于许多后端服务器都是运行同类应用程序，通常情况下，你都很容易知道，部署的应用程序预期会占用多少内存空间。
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此外，常规页面需要聚合成THP，才能将大页面分配给应用程序。因此，这个元素的另外一部分机制是进行微调，是决定何时允许THP聚合。我建议你根据**操作系统的直接页面扫描率**和**聚合进程的CPU使用率**来决定。
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## 总结
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今天我们讲述了，将多个应用程序放置在同一台服务器上时，由于应用程序和操作系统机制的互相作用，引发的一系列性能问题。这些问题的根本原因，就是程序之间的互相影响。
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应用程序之间的关系和人际关系一样，有时和谐，有时不和谐。唐代诗人刘禹锡有几句诗说：“常恨言语浅，不如人意深。今朝两相视，脉脉万重心。”说的是，语言的表达能力通常很有限，所以两人只能用眼神传达更复杂的情感。应用程序之间的关系，甚至程序和操作系统及硬件之间的关系，也会很复杂，也需要做足够的性能分析，才能理清它们之间的关系。
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今天的讲述，主要集中在多任务共存环境中的两个问题，重点在分析问题产生的复杂根因。 如果你对这方面的具体算法和生产验证有兴趣，可以参考我的一篇论文。这篇论文发表在[International Journal of Cloud Computing](https://www.researchgate.net/publication/282348773)上面。
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## 思考题
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Linux操作系统的THP机制的设计初衷，本是为了提升系统性能。可是在有些情况下反而导致了系统性能下降。想一想操作系统的其他机制，有没有类似的情况发生？
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> Tips：文件系统的预先读取等。
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欢迎你在留言区分享自己的思考，与我和其他同学一起讨论，也欢迎你把文章分享给自己的朋友。
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