ElasticSearch6.3.2 中的JVM性能调优

前一段时间被人问了个问题：在使用ES的过程中有没有做过什么JVM调优措施？

在我搭建ES集群过程中，参照important-settings官方文档来的，并没有对JVM参数做过多的调整。但谈到JVM配置参数，少不了操作系统层面上的一些配置参数，比如 page cache 和文件描述符的个数：(/etc/security/limits.conf)。另外ES jvm.options配置文件也针对JVM参数做了一些优化，这里简要介绍一下ElasticSearch中与jvm相关的各个配置参数：

• 将 Xms 和 Xmx 设置成一样大 避免JVM堆的动态调整给应用进程带来"不稳定"。参考：Heap Tuning Parameters
• By default, the JVM grows or shrinks the heap at each GC to try to keep the proportion of free space to the living objects at each collection within a specific range. This range is set as a percentage by the parameters -XX:MinHeapFreeRatio=minimum and -XX:MaxHeapFreeRatio=maximum; and the total size bounded by -Xms and -Xmx
• 预留足够的内存空间给page cache。假设一台32GB内存的机器，配置16GB内存给ES进程使用，另外16GB给page cache，而不是将 xmx 设置成32GB。
• 禁用内存交换(/proc/sys/vm/swappiness)，后面解释为什么要禁用内存交换？
• 配置JVM参数：-XX:+AlwaysPreTouch 减少新生代晋升到老年代时停顿。JDK官方文档关于 AlwaysPreTouch 的解释是：Pre-touch the Java heap during JVM initialization. Every page of the heap is thus demand-zeroed during initialization rather than incrementally during application execution.
  也就是说：在启动时就把参数里说好了的内存全部都分配了，会使得启动慢上一点，但后面访问时会更流畅，比如页面会连续分配，比如不会在晋升新生代到老生代时才去访问页面，导致GC停顿时间加长。

既然提到了这个参数，我想说一下Linux内存分配、Linux OOM Killer、内存交换vm.swappiness参数 之间的一些理解：当ES进程向操作系统MMU申请分配内存时，操作系统内核分配的是虚拟内存，比如指定 -Xms=16G 那么只是告诉内核这个ES进程在启动的时候最需要16G内存，但是ES进程在启动后并不是立即就用了16G的内存。因此，随着ES的运行，ES进程访问虚拟内存时产生缺页错误(page fault)，然后内核为之分配实际的物理页面（这个过程也是需要开销的）。而如果在JVM启动时指定了AlwaysPreTouch，就会分配实际的物理内存，这样在发生YGC的时候，新生代对象晋升到老年代，减少老年代空间分配产生的缺页异常，从而减少YGC停顿时间。

正是由于Linux内存管理机制，应用程序进程可以申请比物理内存大得多的内存，而进程而言，它看到的是逻辑地址空间，因为通过内存交换(vm.swapiness)，操作系统允许将那些长期不用的物理页面交换到磁盘上去，因此程序能够申请的内存空间范围是很大的。由于进程可以申请到一块很大的地址空间，但不一定把这些空间都使用了。但万一进程真的实实在在地占用了这么多空间，怎么办？于是OOM Killer 就出马了，OOM Killer 会选择一个进程将之杀死。

在使用CMS垃圾回收器时，jmap -heap 查看jvm实际为ES进程分配的新生代的大小。因为，影响新生代大小的参数有三个：第一个是：-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize、第二个是：-Xmn、第三个是：-XX:NewRatio=2。根据参数XX:NewRatio=2 ，ES 进程 jvm新生代堆大小占配置的总的堆的1/3，但其实并没有，就是因为参数：-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize 优先级比XX:NewRatio=2高，覆盖了这个参数配置的值。

• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 设置成75%。主要是因为CMS是并发收集，垃圾回收线程和用户线程同时运行，用户线程运行时可能继续无用的垃圾对象，如果到90%再去回收就太晚了。老年代使用到75%就回收可减少OOM异常发生的概率。
• -XX:MaxTenuringThreshold 设置成6。这个值默认为15，即Survivor区对象经历15次Young GC后才进入老年代，设置成6就只需6次YGC就晋升到老年代了。默认情况下ES新生代采用 -XX:+UseParNewGC，老年代采用CMS垃圾回收器，关于这个参数的调优说明，可参考：关键业务系统的JVM参数推荐(2018仲夏版)
• Young GC是最大的应用停顿来源，而新生代里GC后存活对象的多少又直接影响停顿的时间，所以如果清楚Young GC的执行频率和应用里大部分临时对象的最长生命周期，可以把它设的更短一点，让其实不是临时对象的新生代对象赶紧晋升到年老代
• -Xss 配置为1M。线程占用栈内存，默认每条线程为1M。从这个参数可看出一个进程下可创建的线程数量是有限制的，可视为创建线程的开销。

page cache 与 应用程序内存

Linux内存可分成2种类型：Page cache和应用程序内存。应用程序内存会被Linux的swap机制交换出去，而page cache则是由Linux后台的异步flush策略刷盘。当OS内存满了时，就需要把一部分内存数据写入磁盘，因此就需要决定是swap应用程序内存呢？还是清理page cache？OS有个系统参数/proc/sys/vm/swappiness默认值60，一般将之设置成0，表示优先刷新page cache而不是将应用程序的内存交换出去。

那Linux的page cache的清除策略是什么呢？--优化了的LRU算法。LRU存在缺点：那些新读取的但却只使用一次的数据占满了LRU列表，反而把热点数据给evict 到磁盘上去了，因此还需要考虑数据的访问次数(频率)

很多存储系统针对LRU做了一些优化，比如Redis的键过期策略是基于LRU算法的思想，用若干个位记录每个key的idle time（空闲时间），将空闲时间较大的key存入pool，从pool中选择key evict出去，具体可参考：Redis的LRU算法。 再比如Mysql innodb 缓冲池管理page也是基于LRU，当新读入一页数据时不是立即放到LRU链表头，而是设置mid point(默认37%)，即放到链表37%位置处 。关于如何理解page cache 与应用程序内存之间的区别，可参考这篇文章：从Apache Kafka 重温文件高效读写

Linux总会把系统中还没被应用使用的内存挪来给Page Cache，在命令行输入free，或者cat /proc/meminfo，"Cached"的部分就是Page Cache。

当Linux系统内存不足时，要么就回收page cache，要么就内存交换(swap)，而内存交换就有可能把应用程序的数据换出到磁盘上去了，这就有可能造成应用的长时间停顿了。参考：在你的代码之外，服务时延过长的三个追查方向(上)

Linux有个很怪的癖好，当内存不足时，有很大机率不是把用作IO缓存的Page Cache收回，而是把冷的应用内存page out到磁盘上。当这段内存重新要被访问时，再把它重新page in回内存（所谓的主缺页错误），这个过程进程是停顿的。增长缓慢的老生代，池化的堆外内存，都可能被认为是冷内存，用 cat /proc/[pid]/status 看看 VmSwap的大小， 再dstat里看看监控page in发生的时间。

Linux free 内存参数

free -m 查看机器的内存使用情况时，其实一直被以下几个概念所困扰。Google了一圈，大部分只是"翻译"，没有解释。其实我是想了解这些参数对系统的影响是什么？
man free 查看注释如下，free 命令输出的内容其实就是 /proc/meminfo 中的内容，因此真正的是要理解 /proc/meminfo 中每一行的内容。
free displays the total amount of free and used physical and swap memory in the system, as well as the buffers and caches used by the kernel

1. 如何理解操作系统的交换内存？
2. 命令输出的 free 和 available 之间的区别是什么？free表示：Unused memory (MemFree and SwapFree in /proc/meminfo)。而available 一般都比free字段数值大，这是因为：available 还包含了那些已经被使用但是可以被回收的内存。

一个JVM长时间停顿的示例

随着系统的运行，JVM堆内存会被使用，引用不可达对象就是垃圾对象，而操作系统有可能会把这些垃圾对象（长期未用的物理页面）交换到磁盘上去。当JVM堆使用到一定程度时，触发FullGC，FullGC过程中发现这些未引用的对象都被交换到磁盘上去了，于是JVM垃圾回收进程得把它们重新读回来到内存中，然而戏剧性的是：这些未引用的对象本身就是垃圾，读到内存中的目的是回收被丢弃它们！而这种来回读取磁盘的操作导致了FullGC 消耗了大量时间，(有可能)发生长时间的stop the world。因此，需要禁用内存交换以避免这种现象，这也是为什么在部署Kafka和ES的机器上都应该要禁用内存交换的原因吧(如果因长时间STW导致node与master之间的"心跳包"失效，集群的master节点认为该节点发生了故障，于是是自动进行failover，对于ES来说可能就发生自动rebalance分片迁移)。具体可参考这篇文章：Just say no to swapping!

总结

本文以ES使用的JVM配置参数为示例，记录了一些关于JVM调优的参数理解，以及涉及到的一些关于page cache、应用程序内存区别，LRU算法思想等，它们在Mysql、Kafka、ElasticSearch都有所应用。文中所引用的参考链接都非常好，对深入理解系统底层运行原理有帮助。
ElasticSearch官方文档HowTo也给出了ElasticSearch搜索、索引(Indexing)的调优方案，也值得一看：general-recommendations

一个统计gc日志的工具：gcplot，以图形化方式显示gc情况。（分析一个ES进程的gc日志得到：99%的gc STW 时间控制在77ms以内）

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